Исследователи Корнеллского университета представили революционное достижение в нейронауке: нейроимплант под названием MOTE (Microscale Optoelectronic Tetherless Electrode), который настолько мал, что помещается на одной крупинке соли.
Устройство, длина которого составляет примерно 300 микрон, является самым маленьким в мире беспроводным имплантом, способным более года передавать высококачественные данные о электрической активности мозга живого организма. MOTE получает питание от лазерных лучей, безопасно проходящих через ткань мозга, а для передачи данных использует импульсы инфракрасного света — технология, обеспечивающая высокое качество сигнала при минимальном потреблении энергии.
Главное преимущество MOTE — минимальная инвазивность. В отличие от традиционных имплантов, исследователи уменьшили его размер, чтобы минимизировать повреждение мозговой ткани и иммунный ответ. Эксперименты на мышах подтвердили, что имплант успешно фиксирует электрические сигналы нейронов в течение длительного времени, не причиняя вреда здоровью.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Electronics, даже позволяет использовать имплант во время МРТ-сканирования, что ранее было крайне сложно. Это технологическое достижение является значительным шагом вперед на пути к безопасному и всестороннему изучению мозга.
Medscriptum подготовил эксклюзивное интервью с ведущими исследователями этого революционного беспроводного нейроимпланта, разработанного в Корнеллском университете: профессором Алишой Молнаром и профессором Сунву Ли.
Профессор Алишо Молнар работает в Школе электротехники и компьютерной инженерии Корнеллского университета. Примечательно, что профессор Молнар пытался создать этот имплант с начала 2000-х годов и активно участвовал в проекте все это время. Он совместно руководит проектом с профессором Сунву Ли, ассистентом профессора Школы электротехники и электроники Технологического университета Наньянг в Сингапуре.
Профессора подробно рассказывают об этом самом маленьком в мире беспроводном устройстве, способном передавать высококачественные данные о мозговой активности в течение более года.
Интервью с профессором Сунву Ли
Ваша команда создала нейроимплант, настолько маленький, что он практически невидим, но при этом способен записывать активность мозга в течение длительного времени. Как вы считаете, как такой уровень миниатюризации изменит будущее нейронауки — в исследованиях, медицине или в более широких отношениях между человеком и технологией?
Я думаю, что самым важным аспектом нашей работы является то, что мы продемонстрировали возможность создать что-то столь маленькое, но при этом настолько интеллектуальное и способное функционировать в мозге длительное время. Теоретически это было возможно уже некоторое время, но до сих пор оставалось недостижимым. Хотя наш имплант сам по себе может не радикально изменить будущее нейронауки, я верю, что он вдохновит на развитие интереса и уверенности в создании подобных миниатюрных беспроводных имплантов. Они могут открыть возможности для долгосрочных исследований, которые ранее были невозможны.
Поскольку такое экстремальное уменьшение размера снижает инвазивность и уменьшает затраты, вскоре мы можем увидеть распространение миниатюрных сенсоров за пределами нейроприменений — например, на коже или под ней, для измерения биомаркеров, которые современные умные носимые устройства не могут зафиксировать. Возможно, такие сенсоры даже будут интегрированы с существующими носимыми устройствами, используя их питание и напрямую передавая данные, что сократит разрыв между современными системами непрерывного мониторинга глюкозы (CGM) и умными устройствами. В конечном итоге мы надеемся, что эта работа поможет в создании крупномасштабных биологических данных с течением времени — данных, которые могут открыть огромный потенциал ИИ для персонализированной медицины, где искусственный интеллект пока сталкивается с ограничением из-за недостатка данных.
Подача питания и передача сигналов на микромасштабе всегда были одними из крупнейших инженерных вызовов. Как вам удалось обеспечить надежную работу без традиционных батарей или проводки, и какой технологический прорыв оказался ключевым для этого?
Спасибо за вопрос. Действительно, обеспечение надежной работы без батарей и проводки было для нас большой проблемой. Мы преодолели многие из этих препятствий, следуя принципу «проще». Мы минимизировали расстояние между компонентами системы и использовали прямое металлическое нанесение для соединений вместо проводной паечки. Это чем-то напоминает эволюцию транзисторов — самые первые были громоздкими, соединялись нестабильными проводами и были ни масштабируемыми, ни надежными. Когда они перешли к интегральным схемам (за что Джек Килби получил Нобелевскую премию в 2000 году), системы стали значительно более стабильными и масштабируемыми. Следование той же философии помогло нам решить многие из первоначальных проблем.
Еще одним критическим фактором стала атомарно-слойная депозиция (ALD), которая позволила увеличить долговечность импланта без значительного увеличения его размера. Эти импланты должны быть защищены от биологических жидкостей, по сути «соленой воды», а традиционные методы инкапсуляции обычно требуют нескольких микрон толщины для компенсации несовершенства пленки. В нашем случае мы использовали высококачественную ALD-инкапсуляцию, обеспечив надежную защиту толщиной всего около одного микрона — число, которое может еще уменьшиться при оптимизации. ALD, традиционно применяемая для изготовления высококачественных диэлектриков в полупроводниковой промышленности, редко рассматривалась для такого биомедицинского применения, но нам удалось раскрыть весь ее потенциал.
По мере того как мониторинг сигналов мозга становится более точным и доступным, естественно возникают новые этические вопросы. Как вы считаете, как следует подходить к вопросам конфиденциальности данных и согласия в эпоху нейроинтерфейсов, и какие принципы должны направлять ответственное развитие этой технологии?
Это очень важный вопрос. К сожалению, правила и политики часто отстают от технологического прогресса. Однако за последние десятилетия были разработаны — хоть и несовершенные — протоколы работы с конфиденциальными данными, генерируемыми социальными сетями, интернетом и цифровыми медицинскими записями. Я считаю, что стоит начинать с этих же принципов, так как их философия в основном остается прежней.
Правильная анонимизация будет ключевым фактором для защиты конфиденциальности при возможности использовать данные в положительных целях, например для персонализированной медицины и создания «цифровых двойников» биологических систем. Дополнительно наша группа сотрудничает с другими командами для разработки более безопасных протоколов как на аппаратном, так и на программном уровне, чтобы эффективнее решать вопросы конфиденциальности и защиты данных.
Когда вы предполагаете, что ультраминиатюрные импланты, подобные вашему, смогут реально использоваться для диагностики или лечения неврологических расстройств, таких как эпилепсия или депрессия? Видите ли вы путь, по которому эта технология в будущем станет стандартным медицинским инструментом?
Я верю, что ультраминиатюрные импланты, подобные нашим, могут сыграть значительную роль в хронических исследованиях и мониторинге, где требуется минимально инвазивная биологическая запись — как в мозге, так и под кожей, аналогично коммерческим системам непрерывного мониторинга глюкозы (CGM). Также проводятся исследования по использованию таких имплантов для нейростимуляции или доставки лекарств, что может открыть путь к терапевтическому, а не только диагностическому применению.
Лично я надеюсь, что миниатюрные импланты, подобные нашим, предоставят доступное и практически незаметное средство долгосрочного мониторинга, позволяя выявлять заболевания на ранних стадиях. Это даст возможность вмешательства с помощью небольших доз лекарств или корректировок образа жизни — идеальный сценарий, который обходит необходимость хирургического вмешательства или интенсивного лечения.
Если смотреть на этот путь исследований через десять лет, где, по вашему мнению, мы окажемся? Какие нейроимпланты может предложить следующее поколение и как они могут изменить наше понимание сознания, памяти или самой мысли?
Сейчас мы оптимизируем наш имплант и планируем распространять его среди исследователей, заинтересованных в его использовании, при активном сборе обратной связи. Я считаю, что мы продолжим работать над ультраминиатюрными, но интеллектуальными имплантируемыми системами, хотя конкретные приложения будут развиваться в зависимости от самых актуальных потребностей области.
То, что мы обеспечили здесь — хронический мониторинг нейронной активности с минимальной инвазивностью — может привести к открытиям, которые удивят всех нас. Мы до сих пор многого не понимаем о мозге, что делает эту область еще более увлекательной в эпоху ИИ. Мы надеемся, что наша технология поможет глубже понять самих себя.
