Корейські науковці обгорнули пучок волокон у складі мозкового імплантату гідрогелем, завдяки чому вдалося зменшити реакцію нервових тканин на чужорідний об'єкт. Це посприяло кращій функціональності імплантату та уможливило проведення триваліших ніж раніше поведінкових та оптогенетичних досліджень на тваринах. Опис винаходу та його переваги автори обґрунтували у статті журналу Nature Communications.
Художнє зображення гідрогелевого нейрокомп'ютерного інтерфейсу. KAIST
Яка проблема зі звичайними імплантатами?
Мозкові імплантати стали справжньою революцією в нейробіології, оскільки дають змогу простежити за процесами, що відбуваються у центральній нервовій системі, з раніше недоступною точністю. Ба навіть більше, з ними можна вибірково впливати на активність мозку та окремі його нейрони, а також повернути людям втрачені можливості, коли мова йде про нейрокомп'ютерні інтерфейси (наприклад, надати можливість паралізованій людині «писати від руки подумки»). Все це допомагає нам краще зрозуміти, як розвиваються і як протистояти різним неврологічним захворюванням. Утім, мозкові імплантати часто складаються із жорстких компонентів, наприклад, металічних електродів, що ускладнює тривале їх використання. Їхня щільність набагато більша ніж у навколишніх мозкових тканин, тому з часом вони можуть обростати гліальною рубцевою тканиною, яка здатна перешкоджати нормальному функціонуванню імплантованих пристроїв. Частково цьому можна запобігти, огорнувши елементи системи м'якими матеріалами, однак вони все ще жорсткіші за нервові тканини. Потенційним рішенням може стати використання гідрогелю, і вчені з Корейського провідного науково-технологічного інституту вирішили перевірити це.
Як використали гідрогель в імплантатах?
За допомогою гідрогелю вчені створили мультифункціональний імплантат, що складається із пучків волокон, оточених поліакриламід-альгінатним гідрогелем. Один із них є оптоволокном, який дає змогу керувати окремими нейронами мозку за допомогою світла. Ще три із них являють собою мікроелектроди, призначені для зчитування нейрональної активності, та три мікротрубки для цільового доставлення в мозок рідких лікарських засобів.
Особливістю використаного гідрогелю є те, що в початковому стані він є твердим і жорстким. Завдяки цьому його зручно вводити у м'які тканини мозку без додаткової підтримки. Однак після імплантації він вбирає у себе вологу тіла та стає м'яким і податливим, майже як і навколишні нервові тканини. Таким чином він викликає менше подразнення та рубцювання.
Наскільки ідея себе виправдала на практиці?
Випробування технології науковці провели на лабораторних мишах. Їхній гідрогелевий імплантат дав змогу провести довготривалі оптогенетичні та поведінкові експерименти. Мікроелектроди успішно передавали мозкові сигнали протягом шести місяців без суттєвого погіршення якості. Для порівняння, запропоновані раніше полімерні зонди для відстеження активності мозку вже за три місяці стають сильно менш інформативними. Позитивні результати обумовлені меншою реакцією імунної системи на чужорідні об'єкти та, як наслідок, меншому формуванню рубцевої тканини.
Вчені задоволені роботою свого винаходу, він є першим, що показав потенціал використання гідрогелю в мультифункціональних нейроімплантатах. Вони планують використати гідрогелеві імплантати для вивчення хвороб Альцгеймера та Паркінсона, які потребують тривалого спостереження.