Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Института биологических исследований Солка разработали крошечный нейронный зонд, который можно имплантировать на более длительные периоды времени для регистрации и стимуляции нейронной активности, минимизируя повреждение окружающих тканей.

Новый нейронный зонд, подробно описанный в статье, опубликованной 7 июня в Nature Communications , чрезвычайно тонкий — около одной пятой толщины человеческого волоса — и гибкий. Команда говорит, что этот тип нейронного зонда был бы идеальным для изучения небольших и динамичных областей нервной системы, таких как периферические нервы или спинной мозг.

«Здесь вам понадобится очень маленький гибкий зонд, который может помещаться между позвонками для взаимодействия с нейронами и может изгибаться при движении спинного мозга», — сказал Аксель Ниммерьян, доцент Института Солка и соавтор исследования. изучение.

Эти особенности также делают его более совместимым с биологическими тканями и менее склонным к запуску иммунного ответа, что, в свою очередь, делает его пригодным для длительного использования.

«Для хронического нейронного взаимодействия вам нужен незаметный зонд, что-то, о чем тело даже не знает, но все же может общаться с нейронами», — сказал соавтор исследования Дональд Сирбули, профессор наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего Джейкобс. Инженерная школа.

Хотя существуют и другие ультратонкие гибкие зонды, этот небольшой зонд отличается тем, что он может регистрировать электрическую активность нейронов и стимулировать определенные наборы нейронов с помощью света.

«Имея такую ​​двойную модальность — электрическую запись и оптическую стимуляцию — на такой небольшой площади — уникальное сочетание», — сказал Сирбули.

Зонд состоит из электрического канала и оптического канала. Электрический канал содержит ультратонкий полимерный электрод. Оптический канал содержит оптическое волокно, которое также является ультратонким. Соединение этих двух каналов вместе потребовало некоторых умных инженерных решений. Исследователям нужно было выяснить, как изолировать каналы, чтобы они не мешали друг другу, и чтобы они оба поместились в крошечный зонд диаметром всего от 8 до 14 микрометров, при этом убедившись, что устройство является механически гибким, прочным, биосовместимы и способны работать наравне с современными нейронными зондами. Это включало поиск правильной комбинации материалов для изготовления зонда и оптимизацию изготовления электрического канала.

Команда имплантировала зонды в мозг живых мышей на срок до одного месяца. Зонды практически не вызывали воспаления в ткани головного мозга после длительной имплантации. Когда мыши перемещались в контролируемой среде, зонды могли регистрировать электрическую активность нейронов с высокой чувствительностью. Зонды также использовались для нацеливания на определенные типы нейронов, чтобы вызвать определенные физические реакции. Используя оптические каналы зондов, исследователи стимулировали нейроны в коре головного мозга мышей, чтобы те шевелили усами.

Эти тесты в тканях головного мозга были проведены в качестве доказательства концепции. Команда надеется провести будущие исследования спинного мозга с помощью своего зонда.

«В настоящее время мы относительно мало знаем о том, как работает спинной мозг, как он обрабатывает информацию и как его нервная активность может быть нарушена или нарушена при определенных заболеваниях», — сказал Ниммерьян. «Запись этой динамичной и крошечной структуры была сложной технической задачей, и мы думаем, что наши зонды и будущие массивы зондов обладают уникальным потенциалом, чтобы помочь нам изучить спинной мозг — не только понять его на фундаментальном уровне, но и иметь возможность модулировать свою активность».

Калифорнийский университет в Сан-Диего и Институт Солка подали заявку на патент на технологию нейронных зондов, описанную в этой работе.

Эта работа была поддержана Программой электрических рецептов Управления биологических технологий Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) (HR0011-16-2-0027), Институтом мозга и разума Кавли Калифорнийского университета в Сан-Диего (2018-1492) и Национальными институтами Здоровье (R01 NS108034, U19 NS112959, U01 NS103522 и P30 CA014195). Эта работа была частично выполнена в Нанотехнологической инфраструктуре Сан-Диего (SDNI) в Калифорнийском университете в Сан-Диего, члене Национальной координируемой инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант ECCS-1542148).