Инженеры-исследователи изобрели усовершенствованный интерфейс мозг-компьютер с гибкой и формообразующей основой и проникающими микроиглами. Добавление гибкой основы к такому интерфейсу мозг-компьютер позволяет устройству более равномерно прилегать к сложной изогнутой поверхности мозга и более равномерно распределять микроиглы, которые прокалывают кору головного мозга. Микроиглы, которые в 10 раз тоньше человеческого волоса, выступают из гибкой основы, проникают в поверхность мозговой ткани, не протыкая поверхностные венулы, и регистрируют сигналы от близлежащих нервных клеток равномерно по всей площади коры головного мозга.
Этот новый интерфейс мозг-компьютер пока был протестирован на грызунах. Подробности были опубликованы 25 февраля в журнале Advanced Functional Materials. Работа выполнена группой специалистов в лаборатории профессора электротехники Шади Дайеха в Калифорнийском университете Сан-Диего совместно с исследователями из Бостонского университета под руководством профессора биомедицинской инженерии Анны Девора.
Этот новый интерфейс мозг-компьютер не уступает и превосходит "Массив Юта", который является существующим золотым стандартом интерфейсов мозг-компьютер с проникающими микроиглами. Массив "Юта" был продемонстрирован для оказания помощи жертвам инсульта и людям с травмой спинного мозга. Люди с имплантированными массивами Utah Array способны использовать свои мысли для управления роботизированными конечностями и другими устройствами, чтобы восстановить некоторые повседневные действия, такие как перемещение предметов.
Подложка нового интерфейса мозг-компьютер гибкая, конформируемая и реконфигурируемая, в то время как массив Юта имеет жесткую и негибкую подложку. Гибкость и подвижность основы нового массива микроигл способствует более тесному контакту между мозгом и электродами, что позволяет лучше и равномернее регистрировать сигналы мозговой активности. Работая с грызунами в качестве модельного вида, исследователи продемонстрировали стабильную широкополосную запись сигналов в течение всего периода имплантации, который длился 196 дней.
Кроме того, способ изготовления интерфейсов мозг-компьютер с мягкой подложкой позволяет увеличить площадь чувствительной поверхности, что означает, что одновременно можно контролировать значительно большую площадь поверхности мозга. В статье Advanced Functional Materials исследователи демонстрируют, что массив проникающих микроигл с 1024 микроиглами успешно регистрировал сигналы, вызванные точными стимулами из мозга крыс. Это в десять раз больше микроигл и в десять раз больше площадь покрытия мозга по сравнению с существующими технологиями.
Эти интерфейсы мозг-компьютер с мягкой основой тоньше и легче, чем традиционные стеклянные основы подобных интерфейсов мозг-компьютер. Исследователи отмечают в своей статье Advanced Functional Materials, что легкие, гибкие основы могут уменьшить раздражение тканей мозга, контактирующих с массивами датчиков.
Гибкие основы также прозрачны. В новой статье исследователи демонстрируют, что эта прозрачность может быть использована для проведения фундаментальных исследований в области неврологии на животных моделях, что было бы невозможно в противном случае. Например, команда продемонстрировала одновременную электрическую запись с массивов проникающих микроигл, а также оптогенетическую фотостимуляцию.
Гибкость, большая площадь массива микроигл, возможность изменения конфигурации и прозрачность основы новых датчиков мозга - все это благодаря подходу, который исследователи использовали при двусторонней литографии.
Концептуально, начиная с жесткой кремниевой пластины, производственный процесс команды позволяет создавать микроскопические схемы и устройства с обеих сторон жесткой кремниевой пластины. С одной стороны на кремниевую пластину накладывается гибкая прозрачная пленка. В эту пленку встраивается бислой из титановых и золотых дорожек так, чтобы дорожки совпадали с местами, где будут изготовлены иглы на другой стороне кремниевой пластины.
Работая с другой стороны, после добавления гибкой пленки, весь кремний вытравливается, за исключением отдельно стоящих тонких заостренных столбиков кремния. Эти заостренные столбики кремния, по сути, являются микроиглами, и их основания совпадают с титаново-золотыми следами в гибком слое, который остается после вытравливания кремния. Эти следы титан-золота наносятся с помощью стандартных и масштабируемых методов микрофабрикации, что позволяет масштабировать производство с минимальным ручным трудом. Процесс производства дает возможность гибкого проектирования массивов и масштабирования до десятков тысяч микроигл.
На пути к системам с замкнутым циклом
В будущем для совершенствования интерфейсов мозг-машина потребуются массивы проникающих микроигл с большим пространственным покрытием, которые можно будет использовать в "системах замкнутого цикла", способных помочь людям с сильно ограниченной подвижностью. Например, такая система замкнутого цикла может предложить человеку, использующему роботизированную руку, тактильную обратную связь в реальном времени о предметах, которые захватывает роботизированная рука.
Тактильные датчики на роботизированной руке будут ощущать твердость, текстуру и вес предмета. Эта информация, регистрируемая датчиками, преобразуется в электрические стимулы, которые передаются по проводам снаружи тела к интерфейсу мозг-компьютер с помощью проникающих микроигл. Эти электрические сигналы будут передавать в мозг человека информацию о твердости, текстуре и весе предмета. В свою очередь, человек будет регулировать силу захвата на основе информации, получаемой непосредственно от роботизированной руки.
Это лишь один из примеров замкнутой системы, которая может стать возможной после того, как удастся увеличить размер проникающих микроигл, чтобы они прилегали к мозгу и координировали деятельность центров "управления" и "обратной связи" мозга.
Ранее в лаборатории Дайех были изобретены и продемонстрированы тактильные датчики, которые потребуются для такого рода приложений.
Путь к коммерциализации
Передовые процессы двухсторонней литографической микрофабрикации, описанные в данной статье, запатентованы (US 10856764). Дайех стал одним из основателей компании Precision Neurotek Inc. для внедрения технологий, разработанных в его лаборатории, в клиническую практику, а также в области неврологии и нейрофизиологии.
Название доклада: "Масштабируемые тысячеканальные проникающие массивы микроигл на гибкой основе для мультимодальных и охватывающих большие площади интерфейсов мозг-машина" в журнале Advanced Functional Materials.
