Исследовательская группа из Института исследований в области полупроводников и сенсорики нового поколения (IRES²) Технологического университета Тоёхаси разработала инновационную технологию электрофизиологической нейронной регистрации in vivo, которая сводит к минимуму гибель нейронов и обеспечивает стабильную запись в течение года.

Этот прорыв включает в себя микроигольчатый электрод диаметром 5 мкм, изготовленный на гибкой пленке с использованием технологии выращивания кремния. В ходе экспериментов с мышами команда продемонстрировала значительное снижение гибели нейронов и стабильную запись нейронной активности по сравнению с традиционными электродными технологиями, преодолев давние проблемы в нейронной записи.

Длительная in vivo регистрация нейронной активности в мозговой ткани необходима не только для фундаментальных исследований нейронауки, но и для клинических приложений. Микроэлектродные устройства предлагают высокоразрешающую пространственно-временную нейронную регистрацию, что делает их многообещающей технологией для этих приложений. Однако имплантация электродов вызывает повреждение тканей, ограничивая период регистрации.

В своем исследовании, опубликованном в Advanced Materials Interfaces , исследовательская группа рассмотрела это ограничение, используя устройство на основе микроигольчатого электрода диаметром 5 мкм. Электрод, имплантированный в кору мыши, продемонстрировал возможности записи in vivo через день после имплантации и сохранял стабильную работу в течение года. Иммунохимический анализ тканей с имплантированным электродом подтвердил, что электрод не увеличил значительно гибель нейронов по сравнению с неимплантированной тканью.

«Чтобы продемонстрировать преимущества нашего электродного устройства, я потратил более двух лет на регистрацию нейронной активности у мышей с имплантированными электродами; для аспиранта это был немалый срок. Однако мне удалось реализовать проект при поддержке членов моей группы, консультантов и даже мышей, которые работали со мной», — с волнением поделилась своей историей первый автор, кандидат наук Хината Сасаки.

Долгосрочные нейронные записи из коры головного мозга мыши с использованием кремниевого микроигольчатого электродного устройства. Кредит: Advanced Materials Interfaces (2025). DOI: 10.1002/admi.202400974

Предыстория развития
Профессор Такеши Кавано, руководитель исследовательской группы, объяснил предысторию проекта: «Поскольку материал микроигл из монокристаллического кремния «растет» эпитаксиально из кремниевой подложки, процесс подразумевает использование кремниевой подложки. Однако, когда игольчатый электрод прикреплен к жесткой кремниевой подложке, он вызывает значительные повреждения мягкой мозговой ткани, делая невозможной долгосрочную стабильную нейронную регистрацию — даже при уменьшении геометрии иглы до диаметра менее 5 мкм».

«Несколько лет назад во время еженедельного группового собрания в моем офисе мы обсуждали способы решения этой проблемы. Возникла одна идея: устранить жесткую кремниевую подложку, «разрушив» основание кремниевой микроиглы. Я набросал предлагаемый процесс устройства на офисной доске. Этот процесс разрушения позволил нам собрать кремниевый микроигольчатый электрод на гибкой подложке из париленовой пленки».

Профессор Кавано продолжает: «После разработки процесса электродного устройства Хината (первый автор исследовательской работы) успешно продемонстрировал имплантацию электрода в кору головного мозга мыши. Удивительно, но мы наблюдали минимальную гибель нейронов в ткани, что позволило получать стабильные нейронные записи в течение года».

Перспективы на будущее
Исследовательская группа полагает, что с помощью этой недавно разработанной технологии электродов устройство может решить критические проблемы в электрофизиологических исследованиях, такие как повреждение тканей и нарушение работы нервной системы, вызванные имплантированными электродами; традиционным микроэлектродным устройствам еще предстоит преодолеть эти проблемы.

Исследовательская группа планирует применить электродную технологию в исследованиях в области нейронауки, включая исследования нарушений развития , болезни Альцгеймера и эпилепсии, еще больше раскрывая ее потенциал для углубления наших знаний о мозге.