По мере того, как исследователи узнают больше о мозге, становится ясно, что чувствительная нейростимуляция становится все более эффективной для исследования функций нервных цепей и лечения психоневрологических расстройств, таких как эпилепсия и болезнь Паркинсона. Но современные подходы к разработке полностью имплантируемого и биосовместимого устройства, способного выполнять такие вмешательства, имеют серьезные ограничения: их распространенность невелика, а для работы большинства требуются большие и громоздкие компоненты, которые затрудняют имплантацию и повышают риск возникновения осложнений.
Команда инженеров из Колумбийского университета во главе с Дионом Ходаголи, доцентом кафедры электротехники, разработала новый подход, который открывает перспективы для улучшения таких устройств. Основываясь на своей более ранней работе по разработке более компактных и более эффективных конформных биоэлектронных транзисторов и материалов, исследователи разработали свои устройства для создания высокоэффективных имплантируемых схем, которые позволяют считывать схемы мозга и манипулировать ими. Их система "мультиплексирование-затем-усиление" (MTA) требует только одного усилителя на мультиплексор, в отличие от современных подходов, в которых количество усилителей равно количеству каналов.
Крайне важно иметь возможность обнаруживать и лечить симптомы, связанные с расстройством мозга, такие как эпилептические припадки, в режиме реального времени. Новая система не только намного меньше и гибче, чем существующие устройства, но также позволяет одновременно стимулировать сигналы произвольной формы по нескольким независимым каналам, что делает ее более универсальной.
Чтобы регистрировать, обнаруживать и локализовать эпилептические разряды, ученые должны регистрировать активность мозга в нескольких местах с высокой частотой опроса. Для этого требуется устройство и схема многоканального сбора данных и стимуляции с высокой частотой дискретизации. Обычным имплантам требуется такое же количество усилительных схем, как и количество каналов, прежде чем они смогут объединить эти сигналы в поток данных с использованием мультиплексирования. Это увеличивает размер цепей линейно с количеством каналов.
Помня об этих ключевых ограничениях, команда создала устройство MTA, а затем подтвердила его функциональность, разработав полностью имплантируемую, отзывчивую встроенную систему, которая может в реальном времени регистрировать индивидуальные нейронные потенциалы действия с помощью подходящих электродов на основе проводящего полимера. Этого можно добиться с помощью стимуляции сигналов произвольной формы с малой задержкой и локального хранения данных — и все это в пределах миниатюрного устройства.
Устройство MTA, которое было изготовлено в Columbia Nano-Initiative, позволило команде затем разработать новый протокол с обратной связью для подавления патологической связи между гиппокампом и корой головного мозга в режиме реального времени в эпилептической сети. Такой подход может помочь решить проблемы с памятью, которые часто сопровождают эпилепсию.
В настоящее время команда интегрирует свою систему с различными экспериментальными платформами с целью улучшения функции нейронной сети и когнитивных навыков.
