Напечатанная в 3D на наноуровне матрица микроэлектродов сверхвысокой плотности (MEA) полностью настраивается. Это означает, что однажды пациенты, страдающие эпилепсией или потерей функции конечностей из-за инсульта, смогут получить индивидуальное медицинское лечение, оптимизированное для их индивидуальных потребностей.

Сотрудничество объединяет опыт Рахула Паната, адъюнкт-профессора машиностроения, и Эрика Иттри, доцента биологических наук. Команда применила новейшую технологию микрообработки, аэрозольную струйную 3D-печать, для создания матриц, которые преодолели основные конструктивные барьеры других матриц интерфейса мозг-компьютер (BCI). Результаты были опубликованы в Научные достижения.

"Аэрозольная струйная 3D-печать давала три основных преимущества", - объяснил Панат. "Пользователи могут настраивать свои МЭС в соответствии с конкретными потребностями; МЭС могут работать в трех измерениях в мозге; а плотность МЭС увеличивается и, следовательно, становится более надежной".

BCI на основе MEA соединяют нейроны в мозге с внешней электроникой для мониторинга или стимуляции мозговой активности. Они часто используются в таких приложениях, как нейропротезы, искусственные конечности и визуальные имплантаты, для передачи информации от мозга к конечностям, которые утратили функциональность. ИМК также имеют потенциальное применение при лечении неврологических заболеваний, таких как эпилепсия, депрессия и обсессивно-компульсивное расстройство. Однако существующие устройства имеют ограничения.

Существует два типа популярных устройств BCI. Самым старым MEA является Utah array, разработанный в Университете Юты и запатентованный в 1993 году. Эта матрица на основе силикона использует поле крошечных штифтов, или хвостовиков, которые могут быть вставлены непосредственно в мозг для обнаружения электрического разряда от нейронов на кончике каждого штифта.

Другой тип - Michigan array, который печатается на плоских, тонких силиконовых чипах. Он считывает электроны, когда они пробегают по чипам. Из-за конструктивных ограничений обе эти матрицы способны записывать только в двумерной плоскости. Это означает, что они не могут быть настроены в соответствии с потребностями каждого пациента или приложения.

Наиболее важным аспектом MEA является его способность к трехмерному отбору проб, которая ограничена плотностью микроэлектродов в матрице и способностью располагать эти матрицы в точном месте, которое требуется ощутить. Современные технологии изготовления MEA добились огромных успехов в отношении плотности этих микроэлектродных матриц. Добавление третьего измерения значительно увеличивает возможность выборки массивов. Кроме того, индивидуальные измерения для каждого конкретного применения позволяют получать более точные и высокоточные показания.

Массив CMU исследователей является самым плотным BCI, примерно на порядок плотнее, чем массив BCIS штата Юта.

Более качественные МЭС пользуются спросом. Средства, используемые для управления виртуальными действиями на компьютере или сложными движениями конечностей, сталкиваются с ограничениями современной технологии. Более продвинутые приложения требуют измерений, которые настраиваются для каждого человека и имеют гораздо более высокую точность, чем те, что доступны в настоящее время.

"В течение нескольких дней мы теперь можем изготовить прецизионное медицинское устройство, адаптированное к потребностям пациента или экспериментатора", - говорит Иттри, соавтор исследования. Кроме того, в то время как такие технологии, как стимуляция зрительной коры и управление искусственными конечностями, успешно используются общественностью, возможность персонализации системы управления в мозге может проложить путь к огромным достижениям в этой области.

Панат прогнозирует, что для тестирования на людях может потребоваться пять лет, а для коммерческого использования - еще больше. Команда рада поделиться этим успешным процессом с другими исследователями в этой области, чтобы начать тестирование широкого спектра приложений.

Патент на архитектуру и способ изготовления матрицы CMU находится на рассмотрении. Следующим шагом, по словам Паната, является сотрудничество с Национальными институтами здравоохранения (NIH) и другими деловыми партнерами, чтобы как можно быстрее передать эти результаты в другие лаборатории и подать заявку на финансирование, которое позволило бы коммерциализировать эту технологию.

Исследование финансируется инициативой NIH по исследованию мозга в рамках продвижения инновационных нейротехнологий (BRAIN).