Команда науковців розробила новий вид біосенсорів, які можуть бути введені просто в кров і по судинах кровоносної системи відправлятися в мозок людини, де, за словами розробників, вони будуть неінвазивно відстежувати нервову активність і навіть, можливо, думки.
Співмірні з клітинами наносенсори, влучно названі абревіатурою Neurophotonic Solution-dispersible Wireless Activity Reporters for Massively Multiplexed Measurements (NeuroSWARM³) – нейрофотонічний розчин диспергованих "репортерів" бездротової активності для масових мультиплексних вимірювань (swarm – рій, зграя), можуть подолати гематоенцефалічний бар'єр (що відмежовує кров від цереброспінальної рідини та внутрішнього середовища центральної нервової системи, щоб зберегти сталість цього середовища) у мозку, де вони перетворюють нервову активність на електричні сигнали, дозволяючи їх потім зчитувати та інтерпретувати. Робота команди науковців Каліфорнійського університету в Санта-Круз буде представлена наступного вівторка на Конгресі з віртуальної візуалізації та прикладної оптики Оптичного Товариства.
Дослідники кажуть, що технологія може забезпечити додаткову мобільність людям з обмеженими можливостями та, крім того, допомогти вченим краще зрозуміти природу людської думки. Однак вона ще не була протестовані ні на людях, ні навіть на тваринах.
"NeuroSWARM³ може перетворювати сигнали, що супроводжують думку, в дистанційно вимірювані сигнали для високоточної взаємодії мозку і машини", – говорить провідний автор дослідження А. Алі Янік в прес-релізі. “Це дозволить людям, які страждають фізичними вадами, ефективно взаємодіяти з зовнішнім світом і керувати своїми екзоскелетами, долаючи обмеження тіла. Це також може виявити ранні ознаки нервових захворювань".
Цей підхід пропонує новий спосіб моніторингу електричної активності в мозку за допомогою зонду "системи на наночастинках", які можна порівняти за розміром з віріоном. Нейрони використовують електричні сигнали для передачі інформації один одному, що робить ці сигнали критично важливими для мислення, пам'яті та руху. Хоча існує безліч усталених методів відстеження електричної активності мозку, більшість з них потребує хірургічного втручання або імплантованих пристроїв – як Neuralink Ілона Маска – для проникнення в череп і безпосередньої взаємодії з нейронами.
Він, цей підхід, побудований на введенні в мозок сконструйованих електроплазмонних наночастинок, які перетворюють електричні сигнали в оптичні сигнали, дозволяючи відстежувати активність мозку за допомогою оптичного детектора ззовні тіла.
Наночастинки складаються з оксидокремнієвого ядра діаметром 63 нанометри з тонким шаром електрохромно нанесеного 3,4-етилендіокситіофену (сірчаноорганічна сполука C₂H₄OCH₂S тіофену із заміщенням в 3-й та 4-й позиціях сегментів етиленгліколю) і золотим покриттям товщиною 5 нанометрів. Оскільки їхнє покриття дозволяє їм долати гематоенцефалічний бар'єр, то їх можна вводити в кровоносні судини або безпосередньо в спинномозкову рідину.
Потрапивши в мозок, наносенсори стають дуже чутливими до локальних змін електричного поля. У лабораторних випробуваннях прототипи NeuroSWARM³ in vitro змогли генерувати співвідношення сигнал / шум більше 1000 – рівень чутливості, який достатній для виявлення електричного сигналу, генерованого при спрацьовуванні одного нейрона.
NeuroSWARM³ можна розглядати як наномасштабну електрохромно завантажену плазмонічну антену в реверсному напрямку: замість прикладання відомої напруги її оптичні властивості модулюються довколишніми спайковими електрогенними клітинами. Таким чином, NeuroSWARM³ забезпечує можливість виявлення далекозонних біоелектричних сигналів в одному пристрої з наночастинками, що забезпечує бездротове живлення, виявлення електрофізіологічних сигналів і можливість передачі даних в наномасштабних розмірах.
Оптичні сигнали, що генеруються частинками NeuroSWARM³, можуть бути виявлені назовні за допомогою світла інфрачервоного діапазону з довжиною хвиль від 1000 до 1700 нм. Наночастинки можуть функціонувати необмежено довго, не вимагаючи джерела живлення.
Інші науковці досліджували подібний підхід з використанням квантових точок, що реагують на електричні поля. Порівнюючи дві технології, дослідники виявили, що генерований NeuroSWARM³ оптичний сигнал на чотири порядки потужніший. Квантові точки потребували на порядок більшої інтенсивності світла і на два порядки більше зондів, щоб генерувати такий сигнал.
Під час тестів команда виявила, що їхній рій наносенсорів достатньо чутливий, щоб вловлювати активність окремих клітин мозку. Отримання сигналів від одиночних нейронів не нове, але можливість їхнього виявлення за допомогою вільно плаваючих датчиків, і особливо можливість бездротової передачі їх через товстий череп пацієнта, є вражаючим технологічним досягненням. Якщо подальші тести продовжуватимуться, ці можливості можуть спростити нейробіологічні дослідження в реальному часі та підняти на вищий рівень неврологічну медицину.
"Ми тільки на початкових етапах цієї нової технології, але я думаю, що у нас є хороший фундамент для розвитку, – вказав Яник. – Наша наступна мета – почати експерименти на тваринах".
18.07.2021