Проникая в головной мозг

Новый ультратонкий, гибкий прибор высокого разрешения, снабженный 360 усиленными и мультиплексными электродами, позволяет тесно контактировать с головным мозгом и регистрировать нарушения его активности на новом уровне (фото: Travis Ross and Yun Soung Kim, University of Illinois at Urbana-Champaign)

Ученые из Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania, США) разработали и протестировали новый ультратонкий прибор высокого разрешения, способный регистрировать активность головного мозга в кортикальной зоне без использования привычных электродов. Разработанное устройство позволит создать новое поколение компьютерных программ для исследования и лечения неврологических и психических заболеваний. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

«Новый прибор адаптируется к уникальной геометрии головного мозга пациента, после чего регистрирует и картирует его активность с разрешением, которое раньше было невозможно, - говорит руководитель исследования Брайан Литт (Brian Litt), адъюнкт-профессор неврологии из Медицинской Школы Перельмана при Университете Пенсильвании (Perelman School of Medicine at the University of Pennsylvania), - Наше устройство позволит изучить нормальную активность головного мозга и ее нарушения, лежащие в основе развития множества неврологических заболеваний, а также более тщательно изучить такие функции головного мозга, как слух, зрение и память».

Мониторинг и изучение электрической активности головного мозга часто требует глубокого размещения электродов в специфических участках мозга. Обычные приборы в таких случаях могут вызвать воспаление или привести к кровоизлияниям в мозг. Состоящий из 720 кремниевых наномембранных транзисторов в мультиплексной 360-канальной матрице, новый ультратонкий и гибкий прибор можно разместить не только на поверхности коры больших полушарий головного мозга, но также ввести в борозды и даже между полушариями – области, физически не доступные для обычных электродов. Современные приборы требуют отдельных проводов для каждого датчика, что означает возможность их использования либо для изучения протяженных областей мозга, но с низким разрешением, либо небольших участков, но с высоким разрешением. Мультиплексные наносенсоры нового прибора могут охватывать и регистрировать гораздо более протяженные участки мозга с высоким разрешением, используя при этом почти в 10 раз меньше проводов.

Над созданием нового прибора работала целая группа ученых, включая специалистов из Политехнического Института при Нью-Йоркском Университете (Polytechnic Institute of New York University), Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (University of Illinois Urbana-Champaign) (США), а также Сеульского Государственного Университета (Seoul National University, Корея).

Тестируя разработанный прибор на животных, ученые наблюдали за реакциями головного мозга в ответ на визуальные стимулы и фиксировали ранее неизвестные детали его активности во время сна, а также эпилептических припадков. Во время судорог прибор зарегистрировал изменения электрической активности головного мозга, выражающиеся сменой ритма и появлением спиральных волн, что не было ранее описано. Подобная активность напоминает таковую в сердце во время фибрилляции желудочков. Вероятно, она повышает возможность борьбы с эпилепсией теми же методами, которые используются для лечения сердечной аритмии.

Наблюдение спиральных волн свидетельствует о высокой чувствительности и разрешающей способности нового прибора. Эксперименты, проведенные учеными, имеют огромное значение не только для контроля эпилептических припадков, но и для исследования нарушений активности головного мозга, оказывающих негативное влияние на сон, память, обучение, а также для характеристики и лечения хронических депрессий и других нейропсихических расстройств.

В конечном итоге, ученые ожидают, что разработанный ими прибор будет усовершенствован и адаптирован для терапевтического применения на всем организме человека. Новый прибор мог бы служить в качестве кардиостимулятора, нейропротеза и нервно-мышечного стимулятора. Универсальность, гибкость и высокая чувствительность разработанного устройства делает его передовой технологией в области исследования активности головного мозга.

По материалам University of Pennsylvania School of Medicine

Оригинальная статья:
Jonathan Viventi, Dae-Hyeong Kim, Leif Vigeland, Eric S Frechette, Justin A Blanco, Yun-Soung Kim, Andrew E Avrin, Vineet R Tiruvadi, Suk-Won Hwang, Ann C Vanleer, Drausin F Wulsin, Kathryn Davis, Casey E Gelber, Larry Palmer, Jan Van der Spiegel, Jian Wu, Jianliang Xiao, Yonggang Huang, Diego Contreras, John A Rogers, Brian Litt. Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo. Nature Neuroscience, 2011; DOI: 10.1038/nn.2973