Научно-инженерные специалисты из Университета Карнеги-Меллона (CMU), частного исследовательского центра в Питтсбурге (США) впервые разработали новый тип массива микроэлектродов для платформ интерфейса мозг-компьютер. Устройство, названное CMU Array, способно применяться в лечении неврологических расстройств, сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Напечатанная на 3D-принтере в наномасштабе матрица микроэлектродов сверхвысокой плотности (MEA) полностью настраиваема. Это означает, что однажды пациенты, страдающие эпилепсией или потерей функций конечностей из-за инсульта, смогут получить персонализированное лечение, оптимизированное для их индивидуальных потребностей.
Инженер-машиностроитель Рахул Панат и специалист биологических наук Эрик Иттриа, объединив свой опыт в новом исследовании CMU, применили новейшую технику микропроизводства – аэрозольную струйную 3D-печать – для создания массивов, которые преодолели основные конструктивные барьеры других вариантов интерфейса мозг-компьютер (BCI).
«Аэрозольная струйная 3D-печать давала три основных преимущества. Пользователи могут настраивать свои MEA в соответствии с конкретными потребностями; MEA могут работать в мозгу в трех измерениях; а плотность микроэлектродов заметно увеличивается и, следовательно, MEA становятся более надежными и эффективными», – пояснил Панат.
BCI на основе MEA соединяют нейроны в мозге с внешней электроникой для мониторинга или стимуляции активности мозга. Они часто используются в таких решениях, как нейропротезные устройства, искусственные конечности и визуальные имплантаты для передачи информации от мозга к конечностям, которые потеряли функциональность.
В лечении неврологических заболеваний, таких как эпилепсия, депрессия и обсессивно-компульсивное расстройство, применение BCI также считается весьма перспективным. Однако существующие устройства имеют к этому существенные ограничения.
На сегодня имеется два типа популярных устройств BCI, разработанные в Университетах Юты и Мичигана. В первом, более раннем типе массива (на основе силикона) используется поле крошечных штифтов или хвостовиков, которые можно вставлять непосредственно в мозг для обнаружения электрического разряда от нейронов в наконечник каждой булавки. Второй тип – это массив, который печатается на плоских тонких силиконовых чипах. Он «считывает» электроны, когда те проникают через чипы.
Из-за конструктивных ограничений оба этих массива могут записывать только в двумерной плоскости. Это означает, что их нельзя настроить в соответствии с потребностями каждого пациента или отдельной процедуры.
Наиболее важным свойством MEA является его способность трехмерного отбора проб, которая ограничена плотностью микроэлектродов в массиве и возможностью размещения этих массивов в точном месте, которое необходимо измерить. Современные технологии производства MEA значительно продвинулись вперед в отношении плотности этих массивов микроэлектродов.
Добавление третьего измерения значительно увеличивает возможности выборки массивов. Кроме того, MEA, изготавливаемые по индивидуальному заказу для каждого конкретного приложения, позволяют получать более точные и достоверные показания. Они способны настраиваться для каждого человека-пациента и имеют гораздо более высокую точность, чем те, что доступны в настоящее время.
Тесты показали, что CMU Array является самым плотным на сегодня BCI, примерно на порядок превосходя лучшие варианты BCI Utah Array.
Рахул Панат считает, что для испытаний CMU Array на людях может потребоваться пять лет, а для обеспечения коммерческого использования – еще больше. Но успешность новой разработки открывает дорогу другим исследователям в этой области, чтобы начать тестирование широкого спектра прикладных применений.