Ученые создали суперкомпактный имплантат для глаз размером с один нейрон

Группа исследователей из Технологического университета Чалмерса (Швеция), Фрайбургского университета и Нидерландского института нейронаук создала суперкомпактный имплантат с электродами размером с один нейрон, который может оставаться неповрежденным в организме в течение долгого времени. Это уникальное сочетание, которое открывает новые перспективы для будущих имплантатов, способных вернуть пациентам зрение.

Когда человек слепнет, часто повреждается часть глаза, но зрительная кора в мозге продолжает функционировать и ждет сигнала. Если рассматривать стимуляцию мозга для восстановления зрения, то в имплантате должны быть тысячи электродов, чтобы собрать достаточно информации для формирования изображения. Посылая электрические импульсы через имплантат в зрительную кору мозга, можно создать изображение, и при этом каждый электрод будет представлять собой один пиксель.

«Такое изображение не будет представлять мир так, как его видит человек с нормальным зрением. Изображение, создаваемое электрическими импульсами, будет похоже на матричное табло на шоссе: темное пространство и несколько светящихся участков в зависимости от поступающей информации. Чем больше электродов будут питать имплант, тем лучше будет изображение», — говорит Мария Асплунд,  профессор биоэлектроники в Технологическом университете Чалмерса, руководившая разработкой технологии в рамках проекта.

Этот зрительный имплантат можно описать как нить с множеством электродов, расположенных в ряд, один за другим. В долгосрочной перспективе потребуется несколько нитей с тысячами электродов, подключенных к каждой из них, и результаты этого исследования — ключевой шаг на пути к созданию такого имплантата.

Электрический имплантат для восстановления зрения у слепых — не новая концепция. Однако технология, которая в настоящее время тестируется на пациентах, была разработана в 1990-х годах и у нее есть несколько критичных недостатков, например громоздкость имплантатов, образование рубцов в мозге из-за их большого размера, слишком жесткие материалы и их коррозия с течением времени.

Создав по-настоящему компактный электрод размером с один нейрон, исследователи получили возможность разместить множество электродов на одном имплантате, что позволит пациентам получить более детальное изображение. Уникальное сочетание гибких, не подверженных коррозии материалов делает это решение долгосрочным.

«Миниатюризация компонентов зрительных имплантатов крайне важна. Особенно это касается электродов, поскольку они должны быть достаточно маленькими, чтобы можно было обеспечить стимуляцию большого количества точек в зрительных зонах мозга, — говорит профессор Асплунд. — Главный вопрос исследования для команды — сможем ли мы разместить столько электродов на имплантате с помощью имеющихся у нас материалов, сделать его достаточно маленьким и при этом эффективным. В ходе исследования мы получили положительный ответ».

Создание электрического имплантата такого маленького размера сопряжено с определенными трудностями. Главная сложность не в том, чтобы сделать электроды маленькими, а в том, чтобы такие маленькие электроды прослужили долгое время во влажной среде.

Коррозия металлов в хирургических имплантатах — огромная проблема, а поскольку корродирующий металл является функциональной частью устройства, количество металла играет ключевую роль. Электрический имплантат, созданный Асплунд и ее командой, имеет мизерную ширину 40 микрометров и толщину 10 микрометров, как волос, а толщина металлических частей составляет всего несколько сотен нанометров. Поскольку в крошечном электроде так мало металла, он не должен корродировать, иначе он просто перестанет работать.

В прошлом эту проблему не удавалось решить. Но теперь команда исследователей создала уникальный сплав материалов, которые не подвержены коррозии. В их состав входит проводящий полимер для передачи электрической стимуляции, необходимой для работы имплантата. Полимер образует защитный слой на металле и делает электрод гораздо более устойчивым к коррозии, по сути это защитный слой пластика, покрывающий металл.

«Сочетание проводящего полимера и металла, которое мы применили, является революционным для имплантатов органов зрения, поскольку, как мы надеемся, они смогут оставаться функциональными в течение всего срока службы имплантата, — говорит Асплунд, которая в настоящее время изучает этот вопрос с более крупной командой в текущем проекте ЕС Neuraviper. — Теперь мы знаем, что можно изготовить электроды размером с нейрон (нервную клетку) и поддерживать их эффективную работу в мозге в течение очень длительного времени, что представляется весьма перспективным. Следующим шагом будет создание имплантата, который будет иметь соединения для 1 тыс. электродов».

Метод был реализован сотрудниками Нидерландского института неврологии, где мышей обучали реагировать на электрический импульс, подаваемый в зрительную кору головного мозга. Исследование показало, что мыши научились реагировать на стимуляцию, подаваемую через электроды, всего за несколько сеансов, а минимальный порог силы тока, при котором мыши отмечали восприятие, был ниже, чем у стандартных металлических имплантатов. Исследовательская группа также сообщила, что функциональность имплантата оставалась стабильной в течение долгого времени, а у одной мыши даже до конца ее естественного срока жизни.

Моргание — это естественный процесс, повторяющийся каждые несколько секунд, зачастую бессознательно. Новое исследование показало, что моргание не только имеет функцию увлажнения глаз, но также влияет на улучшение зрения. Эта новая научная работа должна точно определить, для чего полезно моргание, поскольку мы делаем это чаще, чем необходимо, чтобы увлажнить глаза.