Исследователи использовали новую технологию производства для создания минимально инвазивного настраиваемого датчика, который может без проводов записывать глубокую мозговую активность с разрешением одного или двух нейронов. Устройство потенциально может применяться при широком спектре неврологических заболеваний, таких как резистентная к лечению эпилепсия, болезнь Паркинсона и хроническая боль.
Золотым стандартом подхода, используемого при широком спектре неврологических расстройств, таких как резистентная к лечению эпилепсия и болезнь Паркинсона, является стереоэлектроэнцефалография (СЭЭГ), при которой имплантированные электроды записывают активность мозга и/или обеспечивают прямую электрическую стимуляцию определенных областей мозга. Однако многие электродные матрицы, используемые в настоящее время в клинических условиях, имеют ограниченное пространственное разрешение и не способны регистрировать небольшие дискретные популяции нейронов, не говоря уже об отдельных нейронах.
Исследователи во главе с командой из Лаборатории интегрированной электроники и биоинтерфейсов (IEBL) Инженерной школы Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего подняли ставку, создав датчик мозга, который потенциально может изменить правила игры. Беспроводное, настраиваемое, минимально инвазивное устройство толщиной всего лишь в долю человеческого волоса может обеспечивать запись в высоком разрешении из глубины мозга, а также осуществлять терапевтическую электрическую стимуляцию.
«Новые глубинные электроды сочетают в себе две уникальные особенности: гораздо более высокое разрешение записи контактов в сочетании с возможностью стимуляции, что улучшит нашу способность понимать – и потенциально лечить/изменять – нейронные цепи в частях мозга, которые недоступны с поверхности или проникающий интерфейс», — сказал соавтор исследования Ахмед Раслан. «Этот новый электрод представляет собой платформу нейронного интерфейса, которая может как читать, так и записывать в мозг в экспериментальных и клинических условиях; как таковые, потенциальные возможности использования и применения безграничны».
Ключом к возможностям устройства микростереоэлектроэнцефалографии (µSEEG) является его уникальный производственный процесс, основанный на существующих технологиях, используемых для изготовления экранов цифровых дисплеев. Зонды являются «монолитными» — отдельные компоненты складываются друг на друга, образуя единый блок, что устраняет необходимость в сборке дополнительных проводов для записи. Это также означает, что толщина зонда составляет всего 15 микрон, что составляет примерно одну пятую ширины человеческого волоса, и ширина 1,2 мм. Их крошечный размер сводит к минимуму повреждение тканей головного мозга при вставке и извлечении.
Электроды толщиной всего 15 микрон и шириной 1,2 мм могут регистрировать активность мозга на глубине до 10 см/4 в Дэвиде Байо/Калифорнийский университет в Сан-Диего
«Мы разработали совершенно другой метод производства тонкопленочных электродов, которые могут достигать глубоких структур мозга – на глубине, необходимой для терапевтических целей – позволяющей воспроизводимое, настраиваемое и высокопроизводительное производство электродов, но с высоким пространственным разрешением и количество каналов, несмотря на более тонкий корпус электрода», — сказал Шади Дайе, автор исследования. «Кроме того, установка электродов совместима с существующими хирургическими методами в операционной, что снижает барьер для их внедрения в клинические процедуры».
Исследователи создали микроЭЭГ разной длины для использования на мелких и крупных животных и людях: 32-электродную версию с длиной записи 1,92 мм, 3,8-миллиметровую 64-электродную версию и 7,65-миллиметровую 128-электродную версию для доступа к более глубоким мозгам. структуры. Тестируя свои устройства на мозге крыс, свиней и приматов в течение краткосрочной и долгосрочной перспективе и на разных глубинах, они обнаружили, что они могут записывать на глубине 10 см (4 дюйма), включая запись активности одиночных и нескольких нейронов. .
(a)3D-реконструкция длинного µSEEG, введенного на разную глубину. (b) МРТ с наложенной КТ, показывающая глубину микроЭЭГ в головном мозге. (c) Пример записи со второй глубины, демонстрирующей активность одного нейрона Lee et al. <р>µSEEG также был протестирован на двух пациентах, которым была назначена операция по удалению опухоли головного мозга. Во время операции исследователи вставили свое устройство в ткань мозга, которую собирались удалить. Хотя записи были короткими – 10 минут – устройство уловило продолжающуюся спонтанную нейронную активность. Обычные SEEG обычно имеют от восьми до 16 электродов. Хотя их более крупное устройство насчитывает 128 устройств, исследователи планируют увеличить это число до тысяч, что значительно расширит возможности врачей получать и анализировать сигналы мозга в более высоком разрешении.
Исследователи говорят, что новая технология будет особенно полезной. полезно для пациентов с эпилепсией, проходящих мониторинг судорожной активности.
«В настоящее время пациенты с эпилепсией, проходящие такое обследование, остаются в больнице на время исследования, где мы пытаемся определить, где возникают их уникальные припадки в течение периода времени, который обычно длится от 7 до 21 дня», — сказал Шарона. Бен-Хаим, соавтор исследования. «В это время пациенты привязаны к больничным койкам проводными шнурами существующей клинической электродной системы. Эта новая технология потенциально позволит нам отправить этих пациентов домой, освободив их от длительного пребывания в больнице и потенциально позволяя нам вести запись в течение более длительных периодов времени и получать более надежную информацию, которая поможет нам в конечном итоге лечить их приступы с большей точностью и разрешение, чем было возможно раньше». —
Электроды оснащены 128 датчиками, которые могут регистрировать чрезвычайно локализованные сигналы мозга, и 16 контактами для стимуляции, которые могут обеспечить электрическую стимуляцию клинического уровня. Дэвид Байо/Калифорнийский университет в Сан-Диего
Хотя опубликованное исследование сообщает только о данных записи мозга, µSEEG также включает 16 Контакты для стимуляции, предназначенные для электрической стимуляции определенных участков мозга. В настоящее время исследователи используют свой масштабируемый подход к производству тонких пленок для разработки интерфейса «мозг-компьютер», который записывает активность мозга и обеспечивает терапевтическую электрическую стимуляцию.
Исследователи говорят, что помимо резистентной к лечению эпилепсии, µSEEG имеет широкий спектр потенциальных применений, включая помощь людям с болезнью Паркинсона, двигательными расстройствами, обсессивно-компульсивным расстройством, ожирением, резистентной к лечению депрессией и хронической болью.
“ Я не сомневаюсь, что это поможет нам гораздо лучше понять как нормальную функцию мозга, так и патологию, и приведет к новым способам помощи людям, страдающим эпилепсией и рядом других неврологических заболеваний», — сказал Сидни Кэш, соавтор исследования. автор.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications, а видео ниже, созданное Инженерной школой Джейкобса, объясняет, как создается и используется µSEEG.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. p>
Преобразование клинической регистрации активности глубокого мозга с помощью нового подхода к производству датчиков
