Исследователи разработали крошечный имплантат с гибкими полимерными электродами, который может оставаться целым в теле, предоставляя потенциал для будущих зрительных имплантатов для слепых. Этот имплантат может стимулировать зрительную кору мозга, создавая изображения с помощью множества электродов, действующих как отдельные пиксели.
Имплантируемые электроды зачастую негативно воспринимаются обществом, из-за недостаточной информации об эффективности и биосовместимости спустя какое-то время пребывания в организме, ограничиваясь первичными успехами. Это исследование затрагивает производительность и состояние электродов (и тканей мозга) как в начале экспериментов, так и спустя 55 недель!
Подробнее об исследовании далее в статье! Приятного прочтения :)
Введение в исследование
Недавние исследования подтверждают возможность использования электрического стимулирования центральной нервной системы с помощью имплантированных электродов для восстановления потерянных сенсорных функций. Установлено, что стимулирование нейронов в зрительной коре вызывает феномен "фосфен".
Фосфен — это визуальное ощущение, которое возникает не от воздействия света на глаз, а в результате механического, электрического или другого типа стимуляции зрительной системы. Например, вы можете увидеть фосфены, если легко надавить на закрытые веки; яркие пятна или узоры, которые появляются, являются фосфенами.
Проблемы включают недостаточную биостабильность материалов, электрохимическое разложение электродов и реакцию мозга на имплант. Гибкие полимерные электроды могут быть решением, так как они могут следовать за движениями мозга и минимизировать глиоз.
Глиоз — это процесс в нервной системе, который включает в себя увеличение количества глиальных клеток, основной функцией которых является поддержка и защита нейронов. Глиальные клетки образуют рубцовую ткань в мозге, что может привести к снижению его функциональности.
В контексте имплантации медицинских устройств, глиоз часто является значимой проблемой, поскольку образование рубцовой ткани вокруг имплантата может ухудшить его функциональность. Это происходит из-за того, что глиальные клетки, образуя рубцовую ткань, создают физический барьер между электродами и нейронами, увеличивают электрическое сопротивление и, следовательно, снижают эффективность передачи сигналов. Со временем это может привести к необходимости использования большей мощности для стимуляции или вовсе к потере функциональности имплантата.
Исследование показало, что гибкие электроды успешно стимулируют зрительную кору мышей на протяжении продолжительного времени с низкой силой тока, что представляет перспективу для долгосрочного использования в клинической практике.
Результаты и методы исследования
Для максимизации тока стимуляции через небольшие электроды размером 15×15 мкм², был использован оксид иридия в качестве основного материала электрода. Также было добавлено покрытие из полистиролсульфоната.
Это композитное покрытие обладает как емкостными, так и псевдоемкостными свойствами, позволяя увеличить заряд инжекции до 3,3 мКл/см² (что означает, что через электрод можно пропустить больше тока без риска повреждения или разложения материала) и обеспечивая возможность использования токов до 36 мкА без риска электролиза на поверхности электрода.
В ходе экспериментов электроды подвергались непрерывному пульсированию тока в течение 16 недель, чтобы проверить их долговечность и стабильность работы в условиях длительного эксплуатационного стресса. Результаты показали, что хотя импеданс (эффективное сопротивление, которое электроды оказывают прохождению электрического тока) и напряжение на электродах незначительно увеличились, структурная целостность и функциональные характеристики сохранялись, что свидетельствует о высокой надежности используемого материала. Такие результаты позволили приступить к тестированию электрической стимуляции на мышах.
*Изменение импеданса может указывать на возможные проблемы, такие как разложение материала электрода или образование биологических отложений, что может влиять на пропускание сигналов (и, соответственно, чем ниже значение импеданса – тем эффективнее электрод передает сигналы).
Исследователи протестировали функциональность электродов, имплантировав их в область первичной зрительной коры пяти мышам. Они обучили мышей сообщать о микростимуляции (первоначально 25 мкА), облизывая носик. Мыши научились реагировать на микростимуляцию в среднем после семи сеансов.
Результаты испытаний показали, что минимальный уровень стимуляции, необходимый для вызова реакции нервной системы, оставался низким и не менялся со временем, подтверждая тем самым, что электроды продолжают эффективно функционировать при длительном использовании.
Дополнительное долгосрочное наблюдение в течение 55 недель подтвердило минимальное изменение порогов тока стимуляции, подчеркивая долгосрочную стабильность и функциональность электродов.
*Средний порог микростимуляции для примерного электрода в одной мыши изначально составил 2.9 мкА (0.49 нКл на фазу). Для семи электродов в той же мыши средний порог был немного выше, 3.3 ± 0.9 мкА (0.56 ± 0.15 нКл на фазу). За период в 55 недель этот порог немного увеличился до среднего значения 6.1 ± 1 мкА (1.04 ± 0.17 нКл на фазу).
Таким образом, электроды могут безопасно и продолжительно применяться для стимуляции, не требуя увеличения мощности и сохраняя свои первоначальные характеристики, что делает их идеальными для постоянного применения в медицинских устройствах.
Также, в исследовании был применен специальный метод гистологического окрашивания тканей мозга для анализа реакции на имплантированный медицинский зонд. При введении зонда в ткань мозга образуется повреждение шириной приблизительно 75 мкм.
В ходе исследования анализировалась реакция ткани на разных глубинах: минимальное воспаление и изменение тканей наблюдалось вдоль самого зонда, но воспалительная реакция увеличивалась к его кончику. Было выявлено, что на кончике зонда концентрация реактивных астроцитов (клеток, реагирующих на повреждение мозговой ткани) самая высокая и эти клетки находятся в пределах до 150 мкм от зонда.
Помимо этого, исследование показало, что плотность нейронов (нервных клеток) также изменяется в ответ на имплантацию зонда. Наиболее сильное уменьшение плотности нейронов наблюдалось у кончика зонда, где они располагались на расстоянии до 70 мкм от него. Однако, несмотря на уменьшенное количество, нейроны всё ещё присутствовали в этой области, что говорит о том, что зона вокруг зонда не лишена нервных клеток полностью.
Выводы
Испытания показали, что полимерные электроды могут обеспечивать эффективную и стабильную стимуляцию нервной системы даже после десяти миллиардов импульсов, что превышает предшествующие исследования и указывает на потенциальное использование более 8 лет. Также был обнаружен минимальный иммунный ответ и гораздо меньшее глиальное рубцевание в местах контакта с зондами.
Понятно, что наибольшее беспокойство вызывает биосовместимость и результаты гистологических исследований, но необходимо держать в голове, что разработка электродов продолжается и непосредственно ведет к минимизации воспалительных процессов и травмирования. Настоящее исследование действительно показывает наилучшие результаты.
Отличным показателем является минимум глиальной ткани вблизи зонда, что было насущной проблемой. Теперь основная цель – уход от локализованных воспалений, для повышения биосовместимости, чтобы, в совокупности с успешной технической частью исследования, создать имплантаты, способные поддерживать и восстанавливать зрение.
С основным исследованием Вы можете ознакомиться по ссылке.
На этом все!
Спасибо за прочтение, будем ждать Вас в комментариях :)
