Имплант тоньше полумиллиметра записывает сигналы мозга и вводит лекарства на разной глубине
Учёные из университетов Дании и Копенгагена, а также из Университетского колледжа Лондона создали новый имплант для мозга. Помогали им коллеги из нескольких других научных центров. Получился длинный электрод толщиной с иголку, внутри которого проходят микроскопические каналы. С его помощью можно записывать активность нейронов и доставлять лекарства прицельно, причём сразу на разной глубине. Исследователи рассчитывают, что это позволит изучать мозг точнее, чем сейчас. А со временем устройство, возможно, пригодится и для лечения неврологических болезней вроде эпилепсии. Команда учёных уместила в одном тонком волокне целый набор инструментов. Результаты опубликованы в научном журнале Advanced Science. Устройство назвали микрофлюидным аксиалтродом. Вторая часть названия, судя по всему, происходит от слова «аксиальный», то есть осевой. Рабочие точки у импланта действительно разнесены по его длине, а не собраны на кончике.
Чтобы оценить задумку, стоит понять, как нейробиологи работают сейчас. Во многих экспериментах они используют оптические волокна с плоским концом. Это тонкие нити из стекла или пластика, которые доносят свет до глубоких отделов мозга. Особенно часто их применяют в оптогенетике — так называют метод, при котором нужные нервные клетки включают светом. (Для этого клетки заранее делают светочувствительными — как правило, методами генной инженерии.) Но у обычных волокон есть серьёзное ограничение. С тканью они взаимодействуют только самым дальним концом — его называют дистальным кончиком, а попросту носом волокна. Именно отсюда выходит свет, и только здесь волокно касается мозга. То есть за один раз можно стимулировать или слушать лишь одну точку, один слой. А ведь многие функции мозга держатся как раз на общении нескольких слоёв и более глубоких структур.
Новый имплант начинается с довольно толстого полимерного стержня. Его нагревают и вытягивают в очень тонкое волокно — примерно как тянут нить из расплавленного сахара, только с несравнимо большей точностью. (Кстати, похожим способом делают и обычное оптоволокно, по которому к нам приходит интернет.) В центре волокна проходит сердцевина, проводящая свет. Вокруг неё расположены восемь микроскопических каналов, по которым можно подавать жидкость, — отсюда и слово «микрофлюидный» в названии. В эти же каналы можно вставить сверхтонкие металлические проволочки. Они улавливают электрическую активность мозга. Получается три в одном: свет, запись сигналов и доставка препаратов. В готовом виде волокно тоньше половины миллиметра. И при этом очень гибкое: не упирается в ткань, как жёсткая спица, а двигается вместе с ней.
Гибкость, пожалуй, одна из самых важных деталей. Большинство нынешних мозговых имплантов делают из твёрдых материалов вроде кремния. Мозгу такое соседство не нравится: жёсткое устройство раздражает ткань и может запустить в ней воспаление. Новый имплант сделан из мягких оптических волокон, похожих на пластик. Вдобавок у него особым образом скошенный кончик. Благодаря этому устройство получается компактнее и меньше травмирует мозг при введении. Логика тут простая. Мозговая ткань по консистенции ближе к желе, чем к чему-то твёрдому. Да и сама она постоянно чуть-чуть смещается — хотя бы в такт пульсу. Жёсткий имплант в таких условиях понемногу натирает её, как камешек в ботинке. А если он остаётся в мозге неделями и месяцами, воспаление может стать хроническим. Организм будто отгораживается от чужака, и сигналы со временем могут становиться хуже.
Священной эпилепсию называют лишь потому, что её не понимают.
Гиппократ
Распутывать такие загадки новинка и должна помогать — пока прежде всего как инструмент для исследований. С её помощью учёные хотят разобраться, как сигналы проходят через разные слои мозга. Речь о процессах, связанных с эпилепсией, памятью и принятием решений. Почему так важны именно слои? Эпилептический приступ, если сильно упрощать, — это момент, когда огромное число нейронов вдруг начинает работать слишком бурно и в унисон. Такая буря где-то зарождается, а потом может перекинуться на соседние участки. Чтобы понять, откуда она стартует и куда движется, мало следить за одной точкой. С памятью похожая история. Гиппокамп, который во многом за неё отвечает, лежит глубже коры и постоянно с ней переговаривается. И, между прочим, именно гиппокамп часто оказывается замешан в одной из самых распространённых форм эпилепсии. Так что умение слушать сразу несколько уровней мозга — не прихоть, а вполне практичная вещь.
Проверяли разработку не только в лаборатории, но и на живых мышах. Электрод вживляли животным в мозг и подключали к источникам света, записывающей аппаратуре и крошечным насосам для подачи жидкостей. Результаты вышли любопытные. Устройство стимулировало нервные клетки и синим, и красным светом. (Два цвета нужны не для красоты. Светочувствительные белки бывают разными, и каждый откликается на свой цвет. Так что в принципе можно управлять несколькими группами клеток по отдельности.) Параллельно учёные записывали электрическую активность и в поверхностных, и в глубоких отделах мозга. Среди них — кора больших полушарий и гиппокамп. А ещё им удалось вводить разные вещества на разной глубине. Точки подачи при этом отстояли друг от друга почти на три миллиметра. Звучит скромно. Но мышиный мозг весит около полграмма, и для него три миллиметра — серьёзная дистанция. И всё это делало одно лёгкое волокно. Мыши носили его без явных признаков дискомфорта. А это важно: память и принятие решений удобнее изучать у животных, которые свободно двигаются.
Одним из главных плюсов разработчики считают как раз то, что несколько функций уместились в одном импланте. Так эксперименты могут стать точнее, а вводить в мозг несколько устройств сразу придётся реже. И это не мелочь. Каждое лишнее устройство — ещё одна ранка в ткани. К тому же возьмём привычную схему: свет подаёт одно волокно, сигналы пишет другой электрод, лекарство идёт по третьей трубке. Попробуй потом убедись, что все три устройства работают с одним и тем же участком. В будущем учёные допускают и лечебное применение. Например, имплант мог бы вводить препарат ровно в нужную точку и одновременно стимулировать выбранные участки мозга током или светом. Для эпилепсии это звучит особенно заманчиво: примерно у трети больных приступы не удаётся взять под контроль обычными лекарствами. Но сами исследователи честно предупреждают, что до повседневной клинической практики ещё далеко. Понадобятся масштабные испытания, доработка и официальные разрешения — а такой путь обычно растягивается на годы.
