Международная команда исследователей из City University of Hong Kong, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine и Soochow University разработала новый тип нейроэлектрода, способного двигаться синхронно с мозговой тканью. Работа предлагает стратегию биоэлектромеханического сопряжения с использованием ультрагибкого электрода, спроектированного для синхронного движения с мозгом, а не для противостояния его естественной подвижности. Исследование опубликовано в журнале Advanced Healthcare Materials.
Почему электроды теряют контакт с нейронами
Нейроэлектроды как ключевые компоненты интерфейсов мозг-компьютер сталкиваются с критической проблемой достижения стабильного механического сопряжения с тканью мозга для качественного считывания сигналов. Дело в том, что мозговая ткань постоянно совершает микроскопические движения — из-за пульсации сосудов, дыхания и других физиологических процессов. Жёсткие или недостаточно гибкие импланты не успевают подстраиваться под эти колебания.
По данным авторов, существующие гибкие электроды, включая полуинвазивные типы, крепящиеся к мозговым оболочкам, и имплантируемые конструкции консольного типа, демонстрируют значительное механическое несоответствие — модуль упругости у них на 5-6 порядков выше, чем у мозговой ткани, что приводит к проскальзыванию на границе раздела. Даже нитевидные импланты, подобные электродам Neuralink, которые за счёт удлинённой структуры повышают податливость, не решают проблему полностью: количественная характеристика механо-биоэлектрических взаимодействий у них остаётся неизученной.
Электрод, который движется вместе с мозгом
Новая разработка построена на принципиально ином подходе. Учёные предложили стратегию биоэлектромеханического сопряжения, при которой синхронизированное движение между электродом и тканью мозга достигается за счёт деформации открытого конца конструкции. Иными словами, вместо того чтобы сопротивляться движению мозга, электрод «поддаётся» вместе с ним, сохраняя контакт с нейронами.
Прототип представляет собой 4-канальный ультрагибкий электрод длиной 40 мм, шириной 164 микрометра и толщиной 3 микрометра, конструкция которого была оптимизирована методом конечных элементов так, чтобы жёсткость устройства соответствовала жёсткости самой мозговой ткани в её микродвижениях.
Как проверяли работоспособность устройства
Для точной проверки механических и электрических характеристик электрода использовалась специализированная установка: нанороботизированный манипулятор, установленный внутри сканирующего электронного микроскопа с кантилевером атомно-силового микроскопа, позволил провести прецизионную характеристику при моделируемом смещении в 25 микрометров, выявив межфазные силы в 575 нН и пьезорезистивные чувствительности в 6,4 пА/мм по длине и 10,2 пА/мкм по смещению.
Помимо считывания нейросигналов, устройство получило дополнительную функцию. Экспериментальные результаты показали, что оптимизированный электрод не только обеспечивает стабильное получение электрофизиологических сигналов, но и способен фиксировать микродвижения мозговой ткани за счёт пьезорезистивного отклика.
Что это значит для будущих нейроимплантов
Главный результат работы авторы формулируют так: электрод движется синхронно с мозговой тканью, обеспечивая нулевое проскальзывание, и при этом объединяет в себе две функции — регистрацию нейросигналов и сенсорику микродвижений. По словам разработчиков, исследование создаёт теоретическую и технологическую основу для построения нового поколения максимально стабильных инвазивных интерфейсов мозг-компьютер.
Если подход подтвердится в дальнейших испытаниях, он может стать важным шагом к созданию долговечных нейроимплантов, которые не деградируют из-за постоянного трения и смещения относительно нейронов — одной из главных причин снижения качества сигнала и отказа современных инвазивных интерфейсов мозг-компьютер.