Сотрудники научных центров из КНР и Японии создали ультраэластичный имплантируемый интерфейс «мозг–компьютер», который демонстрирует устойчивую функциональность и сохраняет высокий уровень передачи нервных импульсов в течение продолжительного периода. Данные, полученные в ходе экспериментальной работы, указывают на то, что устройство поддерживает приблизительно 94% производительности сигнала даже через полтора года после внедрения.

Главное препятствие для традиционных интерфейсов «мозг–компьютер» кроется в расхождении механических характеристик: твёрдые металлические контакты не адаптированы к мягкой и деформируемой структуре головного мозга. Это вызывает микроповреждения, постоянные воспалительные процессы и образование шрамов, которые ухудшают передачу сигналов и постепенно снижают эффективность импланта.

Предложенная новинка базируется на полностью органическом сверхгибком материале – проводящем гидрогеле с проникающей структурой. Ранее гели на водной основе рассматривались как многообещающая основа для биосовместимых устройств, однако их ограничивали недостаточная электропроводность и значительное поглощение влаги в биологической среде, что разрушало микроструктуру электродных каналов и снижало надёжность регистрации сигналов.

Для решения этих проблем разработчики использовали специальную технологию: гидрогель изначально зафиксировали на ультратонкой твёрдой основе из парилена, тем самым стабилизируя его форму, а затем сформировали структуру методом высокоточной фотолитографии в полностью сухой среде. Это обеспечило сохранение микроскопической структуры электродной матрицы и гарантировало высокую концентрацию каналов.

В итоге была разработана электродная решетка, насчитывающая 128 каналов и имеющая толщину порядка девяти микрометров – это сопоставимо с диаметром человеческого волоса. За счёт высокой концентрации электродов удалось приблизительно в десять раз повысить плотность информации по сравнению с предшествующими гидрогелевыми моделями. Электрическая проводимость материала составила 2512 Сименс на сантиметр, что обеспечивает возможность регистрации очень слабых нервных импульсов.

С целью оценки надёжности имплантируемый прибор был испытан на кроликах. В течение более чем полугода у свободно передвигающихся животных наблюдалась устойчивая и ясная нейронная активность. Даже через полтора года коэффициент отношения сигнала к шуму оставался примерно равным 94% от начального уровня. Микроскопическое исследование выявило незначительное воспаление и небольшое образование соединительной ткани вокруг импланта.

Кроме того, материал успешно перенёс до тысячи циклов растяжения при деформации вплоть до 30%, что соответствует максимальным механическим воздействиям на мозг. При этом электрические параметры изменились незначительно – менее чем на 4%, что свидетельствует о высокой надёжности системы.

Авторы работыИсследователи подчеркивают, что подобные органические интерфейсы могут послужить фундаментом для создания принципиально новых нейроинтерфейсов, способных функционировать в живом теле длительное время без потери качества сигнала и с минимальной реакцией со стороны организма.