Углеродные нанотрубки будут использоваться для связи с головным мозгом
Волокна из углеродных нанотрубок, изобретенные в университете Райса, могут стать лучшим материалом для установления непосредственной связи с головным мозгом. Углеродные нанотрубки оказались лучше, чем металлические электроды, для глубокой стимуляции мозга и чтения сигналов нейронной сети, поскольку обеспечивают двустороннюю связь. Данное открытие имеет большое значение для медицины: использование волокон при лечении пациентов с неврологическими расстройствами позволит проводить онлайн-мониторинг откликов нейронных цепей тех областей головного мозга, которые контролируют движение, настроение, а также функции организма (DOI: 10.1021/acsnano.5b01060).
В ходе исследований университета Райса созданы биосовместимые волокна, являющиеся идеальными кандидатами для небольших, безопасных электродов для связи с нейронной системой мозга. В будущем они смогут заменить более крупные электроды, использующиеся в настоящее время в устройствах для глубокой стимуляции мозга при лечении пациентов с болезнью Паркинсона. Также волокна продвинут технологию восстановления сенсорных или моторных функций и внутримозговых связей, а также технологию глубокой стимуляции мозга при лечении других неврологических расстройств, в том числе дистонии и депрессии.
Волокна, созданные инженером-химиком лаборатории Райса Маттео Паскуали, состоят из пучков длинных нанотрубок. Первоначально они предназначались для аэрокосмической промышленности, где первостепенную значимость представляют прочность, вес и электрическая проводимость. По словам Паскуали, волокна задумывались как высокопрочный, высокопроводящий материал, однако в ходе исследования было установлено еще одно удивительное свойство: полученный материал был на ощупь такой же мягкий, как и шелк. Уникальное сочетание прочности, электропроводности и мягкости делает их идеальными для контакта с электрической системой человеческого тела.
Большой вклад внесли Калеба Кемере, доцент университета Райса, имеющий богатый опыт в исследованиях болезни Паркинсона у животных, а также ведущий автора Флавия Витале, научный сотрудник лаборатории Паскуали со степенями в области химической и биомедицинской инженерии. После испытаний на клетках, а затем на крысах с болезнью Паркинсона, волокна зарекомендовали себя стабильными и такими же эффективными, как и используемые нынче электроды из платины, но только меньшими по размеру. Помимо высокой проводимости волокна из углеродных нанотрубок продемонстрировали гораздо более подходящее сопротивление — характеристика электропроводящего материала — по сравнению с передовыми современными металлическими электродами, что способствует лучшему контакту при более низких напряжениях в течение длительного периода времени.
Отдельные углеродные нанотрубки составляют всего несколько нанометров в диаметре, но когда объединяются миллионы волокон в процессе влажного формования, они образуют нити, толщиной около четверти человеческого волоса. Нить заключена в оболочку из гибкого, биологически совместимого полимера с отличными изолирующими свойствами, толщиной в три микрона. На рабочий конец нити одевался наконечник, шириной, аналогичной нейрону.
По словам Камере, лаборатория которого исследовала способы подключения систем обработки сигналов к когнитивному центру и центру памяти головного мозга, чрезвычайно важно тщательно отрегулировать электроды, а также поместить их в правильное место. Врачи, имплантирующие устройства для глубокой стимуляции мозга, первым делом используют зонд, способный «слушать» нейроны, которые подают характерные сигналы в зависимости от их функций. После того, как хирург находит нужное место, зонд удаляют и осторожно имплантируют туда стимулирующий электрод. Новые волокна из углеродных нанотрубок, обеспечивающие двухстороннюю связь, позволят облегчить имплантацию.
Волокна могут стать толчком для создания саморегулируемых терапевтических устройств для пациентов с болезнью Паркинсона. Современные устройства включают в себя имплантат, способный лишь стимулировать мозг, чтобы успокоить дрожь, от которой страдают люди с болезнью Паркинсона. Это обусловлено большими размерами электродов и их неспособностью регистрировать небольшие всплески активности головного мозга. Новый же материал позволит записывать и анализировать обратные импульсы, что можно использовать для реализации адаптирующейся в режиме реального времени стимулирующей терапии. Камере ожидает в скором будущем создание имплантируемого устройства с реализацией данного потенциала, также позволяющего использовать индивидуальный подход в подборе электродов для обеспечения точного контроля над стимулированием и мониторинга.
В заключении отметим, что данная разработка сулит огромные перспективы сразу дя многих областей практического применения. Такое мнение высказали сразу несколько видных экспертов в области исследования мозга, опрошенные изданием https://www.wikium.by/blog.