Ученые разработали новый усовершенствованный датчик мозга, который должен вывести безопасность и эффективность лечения рака и эпилепсии на новый уровень. Новаторское устройство способно регистрировать электрические сигналы с поверхности мозга с рекордным разрешением, что позволит нейрохирургам лучше дифференцировать здоровые и больные ткани, а также позволит глубже понять, как функционирует человеческий мозг.

Ученые разработали новый датчик мозга, который фиксирует электрическую активность с беспрецедентной точностью. David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

 

Новое устройство - работа инженеров Калифорнийского университета в Сан-Диего, и оно представляет собой так называемый датчик электрокортикографии (ЭКоГ). Эти датчики обычно устанавливаются на обнаженную кору головного мозга во время хирургических операций, чтобы записать исходящие электрические сигналы и определить, какие области мозговой ткани активны в данный момент. Это, в свою очередь, позволяет нейрохирургам безопасно удалять опухоли мозга или участки ткани, где возникают эпилептические припадки, оставляя при этом здоровые ткани нетронутыми.

Поэтому способность выполнять такие операции с большей точностью позволит сохранить здоровые, функционирующие ткани мозга. Именно эту цель и преследуют исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего. Устройства ЭКоГ, используемые сегодня, в основном состоят из 16-64 датчиков, хотя некоторые образцы исследовательского класса могут включать до 256 сенсоров. Благодаря некоторым важным инженерным достижениям команда UC San Diego смогла создать сетки ЭКоГ с 1 024 и даже с 2 048 датчиками.

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего работают над своим новым датчиком мозга. David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

 

Клинически одобренные сетки ЭКоГ оснащены датчиками, расположенными на расстоянии сантиметра (0,4 дюйма) друг от друга, что позволяет избежать возможных помех между ними. Команда смогла создать решетки с гораздо большей плотностью, используя наноразмерные платиновые стержни, которые обеспечивают большую площадь чувствительной поверхности, чем плоские платиновые датчики, используемые сегодня. Они позволяют разместить 100 датчиков на единицу площади вместо одного, или в 100 раз увеличить пространственное разрешение.

Эти стержни расположены на расстоянии одного миллиметра друг от друга на гибком, биосовместимом материале - парилене, в результате чего решетки датчиков получаются в 100 раз более тонкие, чем используемые сегодня, толщиной всего 10 микрометров или около одной десятой размера человеческого волоса. Благодаря таким свойствам сенсорная сетка лучше прилегает к мозгу во время тончайших колебаний, например, при ударах сердца, что обеспечивает более тесный контакт и более четкие показания.

Новая сетка датчика отличается эластичностью, что позволяет ей перемещаться вместе с мозгом и получать более четкие показания. David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

 

Ученые продемонстрировали возможности своих новых сенсорных решеток с помощью серии экспериментов. В частности, они использовали версию с 1024 датчиками для прямой записи сигналов тканей мозга 19 пациентов, перенесших хирургическое вмешательство. Они также использовали датчики для картирования ключевых областей мозга у четырех разных испытуемых во время выполнения двигательных функций, а также впервые использовали их для картирования коры головного мозга крысы, что до этого было возможно только с помощью иглы и электрической стимуляции.

Исследователи хотят предложить новые способы лечения резистентной эпилепсии и опухолей головного мозга, и сейчас они добиваются клинического одобрения этой технологии. В числе их дальнейших планов - разработка беспроводной версии, которую можно будет использовать единовременно в течение 30 дней. Кроме того, ученые надеются, что эта технология поможет лучше понять, как работает мозг, интерпретируя его электрические сигналы при выполнении определенных задач.

Мониторинг и анализ мозговых волн - это очень важная область исследований, которая может иметь самый широкий спектр возможностей: от управления протезами конечностей, лечения потери памяти до взаимодействия с цифровым миром без использования смартфонов. Команда исследовала эту область, используя датчики для мониторинга активности мозга, связанную с чувствительностью пальцев и движением руки.

 На видео ниже представлен обзор исследования, которое было опубликовано в журнале Science Translational Medicine.

Сенсорные решетки мозга со сверхвысоким разрешением - Lab Shadi Dayeh

Источник: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abj1441