Новый способ исследования мозга — кремниевые чипы

Исследователи из Стэнфордского университета разработали новое устройство для непосредственного подключения мозга к вычислительным машинам на основе кремния. Устройства интерфейса «мозг-компьютер» существуют относительно давно и используются для протезирования, лечения некоторых заболеваний и исследований сигналов мозга. Однако новая разработка, данные о которой появились 20 марта в журнале Science Advances, способна считывать больше данных, будучи менее инвазивной, чем существующие ныне варианты. 

«Никто до нас не брал двухмерную кремниевую электронику и не состыковывал ее с трехмерной архитектурой мозга», — говорит аспирант кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде и один из участников исследования Абдулмалик Обейд. По его словам, ученым пришлось не учитывать то, что уже известно о традиционном изготовлении микросхем, и разработать новые процессы, чтобы кремниевая электроника работала с трехмерной архитектурой.

Верхняя часть массива с микропроводами. С помощью кремниевого чипа, прикрепленного к верхнему концу, и проводов в нижней части, аккуратно вставленных в мозг, новое устройство поможет записать видео о деятельности нейронов. Изображение: Andrew Brodhead

Новая разработка включает в себя пучок микропроводов, каждый из которых вдвое тоньше человеческого волоса. Эти провода аккуратно вживляются в мозг и подключаются снаружи непосредственно к кремниевой микросхеме. Она, в свою очередь, записывает электрические сигналы мозга в виде фильма об электрической нейронной активности.

«Электрическая активность — это один из самых точных способов оценки мозговой активности. А при помощи этого набора микропроводов мы можем видеть, что происходит на уровне единичных нейронов», — говорит один из соавторов разработки Ник Мелош, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде.

Одна из главных задач, с которой столкнулись исследователи, заключалась в том, чтобы выяснить, как структурировать массив проводов. Он должен был быть прочным и долговечным, хотя его основными компонентами являются сотни крошечных кабелей. Решение было найдено: понадобилось обернуть каждый провод в биологически безопасный полимер, а затем связать все кабели вместе в металлический хомут. Это гарантирует, что провода будут правильно разнесены и ориентированы. Ниже хомута полимера нет, и провода могут соединяться с мозгом.

Абдулмалик Обейд (слева) и Ник Мелош со своим изобретением. Этот пучок микропроводов позволит исследователям наблюдать за активностью сотен нейронов в мозге в режиме реального времени. Изображение: Andrew Brodhead

Существующие устройства интерфейса «мозг-компьютер» ограничены примерно сотней проводов — это 100 каналов для передачи сигнала. Новое устройство — это массив с тысячами каналов, благодаря чему возможно записывать сигналы из разных областей мозга на разной глубине.

Новое устройство испытывалось на мозге живых крыс и мышей. В обоих случаях ученые успешно получили сигналы. Сейчас задача исследователей — выяснить, как долго система может оставаться в мозге и какие еще данные способна получить.

Особенно заинтересованы авторы проекта в сигналах от мозга, которые передаются в процессе обучения. Также они рассчитывают, что разработку получится использовать в протезировании и для устройств, которые помогают восстановить речь и зрение. Пока же ведутся долгосрочные испытания на животных, чтобы проверить долговечность массива и производительность масштабированных версий изобретения.