Инженеры-биомедики и электротехники Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) создали новый метод измерения нейронной активности с использованием света, а не электричества, что может привести к полному переосмыслению медицинских технологий, таких как интерфейсы мозг-машина и протезы, управляемые нервами.
По словам авторов, это не до конца новое открытие. Инжинерам просто удалось повторить в лаборатории то, что было доказано теоретически незадолго до пандемии: датчики, разработанные с использованием технологии жидких кристаллов и интегрированной оптики, получившие название "оптроды", могут обнаруживать импульсы нервных окончаний в организме живого животного.
Эти оптроды не только работают так же хорошо, как обычные электроды, использующие электричество для обнаружения нервного импульса, но они также решают очень сложные проблемы, которые не могут решить конкурирующие технологии. Результаты реального тестирования технологии были недавно опубликованы в Journal of Neural Engineering.
Команда подключила оптрод к седалищному нерву животного под наркозом. Затем нерв стимулировали слабым током и регистрировали нервные сигналы с помощью оптрода. Потом сделали то же самое, используя обычный электрод и биоусилитель. Ученым удалось продемонстрировать, что нервные реакции были идентичны. В оптическом все еще больше шума, но это неудивительно, учитывая, что это совершенно новая технология, которой требуется доработка. Но, в конечном счете, характеристики электрических и оптических датчиков сравняются.
На данный момент команде удалось показать, что нервные импульсы, которые относительно слабы и измеряются в микровольтах, могут быть зарегистрированы с помощью оптронной технологии. Следующим шагом будет увеличение количества оптродов, чтобы иметь возможность обрабатывать сложные сети нервной и возбудимой ткани.
Оптичиские датчики куда меньше и точнее электрических, и это имеет принципиальное значение для развития протезирования. Между вашим мозгом и вашей рукой есть пучок нервов, который идет вниз от вашей коры и в конечном итоге делится на, приблизительно, 5000-10000 нервов, которые контролируют деликатные операции вашей руки.
Если бы чип с тысячами оптических соединений мог соединиться с вашим мозгом или где-то в руке до того, как отделится нервный пучок, протез руки потенциально мог бы функционировать с почти такой же ловкостью и точностью, как и настоящая конечность.
Нейронное протезирование — не единственная область, которую технология оптродов может изменить. Люди давно мечтали интегрировать технологии и механизмы в человеческое тело, чтобы либо восстановить, либо улучшить его. Кое-что из этого уже стало реальностью, например, кохлеарные импланты, кардиостимуляторы и сердечные дефибрилляторы, не говоря уже об умных часах и других устройствах слежения, обеспечивающих непрерывную биологическую обратную связь.
Но одной из наиболее амбициозных целей биомедицинской инженерии и неврологии является интерфейс "мозг-машина", целью которого является соединение мозга не только с остальным телом, но и потенциально с миром. Хотя сейчас это скорее вымысел, чем факт, многие биотехнологические компании относятся к этому очень серьезно. Предприниматель Илон Маск был одним из соучредителей Neuralink, целью которой является создание интерфейсов мозг-компьютер, способных помочь людям с параличом, а также внедрить искусственный интеллект в деятельность нашего мозга.
Подход Neuralink использует обычные проволочные электроды в своих устройствах, поэтому он должен преодолеть несоответствие импеданса и перекрестные помехи — среди многих других проблем — если они хотят разработать устройства, в которых размещаются тысячи, если не миллионы, соединений между мозгом и имплантированным устройством. Недавно сообщалось, что Маск разочарован медленными темпами развития технологии. В частности все упирается в то, что имплантируемые in vivo устройства, регистрирующие нейронную активность, в настоящее время ограничены примерно 100 электродами, предстоит еще долгий путь.
В оптической области эту проблему решить куда проще. В планируемых устройствах, если есть нейронная активность, ее присутствие влияет на ориентацию жидкого кристалла, которую инженеры могут обнаружить и количественно оценить, направив на нее свет. Это означает, что устройство не извлекает ток из биологических тканей, как это делают проволочные электроды. Таким образом, биозондирование можно проводить гораздо эффективнее.
Теперь, когда исследователи показали, что метод оптродов работает in vivo, они вскоре опубликуют дополнительное исследование, которое показывает, что технология оптродов является двунаправленной — она может не только считывать нейронные сигналы, но и записывать их.
