Микро- и нано- нейроэлектроды: одиночные, матричные, сетевые.
СЕТТЛЕРЕТИКА-2018: НАНОНЕЙРОТЕХНОЛОГИИ.
(Обзор дайджестов новостей науки и высоких технологий, за период 2010 - 2018 г. г.)
Корчмарюк Ян Илларионович .
Август – сентябрь 2018 г. г. Волгоград, Россия.
Абстракт .
В настоящей работе приводится обзор за 8 лет научных публикаций, о различных микро- и наноустройствах, которые могут служить инвазивными датчиками активности нервной системы животных и человека. Делается вывод о том, что современные достижения научно-технического прогресса, в области высоких технологий, позволяют начать серию экспериментальных работ, практически реализующих теоретические положения, цели и задачи сеттлеретики.
Введение.
В обобщающих, за 20 лет (1996 – 2016), работах автора[1],[2], по новой междисциплинарной науке сеттлеретик e[3], был введен термин нанонейродатчик-«шпион», как основной метод реализации целей и задач сеттлеретики.
«Снимать информацию (нейроактивность) с мозга человека должны т. н. нанонейродатчики-«шпионы», то есть, наносенсоры, в виде «искусственной мембраны», вживленные в естественную мембрану каждой из 70 миллиардов нервных клеток (нейронов) головного мозга. Доставка и вживление таких датчиков должна осуществляться естественным путем, с кровотоком, специальными нанороботами. Мониторинг работы мозга, круглосуточно и прижизненно, производимый датчиками-«шпионами», непрерывно должен передавать информацию вовне черепной коробки, по сети датчиков-«шпионов» и, в конечном счете, через вживленный в мозг «чип с передатчиком» (в радио- или оптодиапазоне длин электромагнитных волн). Далее, собранная датчиками первичная информация, - обрабатывается супер-нейрокомпьютером, с применением специального программного обеспечения (основанного на математическом методе «функциональных рядов и ядер Винера - Вольтерра»), восстанавливающего переходную/передаточную функцию нейрона, как «черного ящика», по сигналам с его входа и выхода.»[4]
|
|
|
«Метод сеттлеретики, – «оцифровка» нервно-гуморальной системы, то есть создание таких «материала, способа и устройства» (например, томографы, плюс нанодатчики-"шпионы"), и «программ ЭВМ», которые окажутся способными «переселить» (переместить, скопировать) всю необходимую информацию, из оригинального нейроносителя, – на эквивалентный ему, по структуре и функции, резервный и дублирующий, искусственный нейроноситель (например, на графеновый или кремниевый, в супер-нейрокомпьютер, управляющий «телом» робота), путем пожизненного и круглосуточного «симбиоза» с ним.»[5]
(В научно-технической литературе по теме встречаются и другие, синонимичные к авторскому, термины: инвазивные электроды, микрозонды и наносенсоры, микро- и наноимпланты, средства доставки, нейрочипы, и др.)
|
|
|
Там же, автором упоминался список работ, где предлагалась техническая реализация такого нанонейродатчика-«шпиона».
«Как стало известно автору в последнее время, подходящий на роль «датчика-шпиона» наносенсор, – уже создан! К сожалению, – указанный датчик был создан не у нас, в России, а в Америке. Учёными Гарвардского университета (Harvard University), во главе с профессором Чарльзом Либером (Charles M. Lieber), и совместно с группой исследователей Массачусетского технологического института. И называется он теперь иначе: «nanoFIT» («nanoscale field-effect transistors», или «наноразмерный полевой транзистор»). Источник: [17–24], прежде всего, Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1192033 (см. http://news.harvard.edu/…icate-touch/, http://cmliris.harvard.edu/publications/index.php). Но, структурно и функционально, – это именно сеттлеретический «датчик-шпион». Поскольку он создан для нетравмирующего самопроникновения в мембраны нервных клеток, с целью мониторинга, происходящих там, электрохимических процессов.»[6]
Прошло 8 лет с упомянутых публикаций и, за это время, мировые высокие технологии, продвинулись далеко вперед, по пути научно-технического прогресса. Всё необходимое, для создания сеттлеретической технологии, в мировой науке и технике, было готово ещё тогда и, тем более, имеется оно уже и сегодня. Автор постоянно ведёт мониторинг информации по данной тематике и, в настоящей работе, предлагает своим читателям ознакомиться с новыми достижениями, в упомянутой выше области (микро- и наноимплантов, средств доставки, и вживленных нейрочипов), и убедиться в этом.
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ.
1. Микро- и нано- нейроэлектроды: одиночные, матричные, сетевые.
2. Новые материалы наноэлектроники: фуллерен, диамантоид, нанотрубки, графен, и другие.
3. Нейроэлектроды: системный переход от микро- к нано-.
4. Биофотоника и биоакустика.
5. Микро- и нанонейропыль.
6. Мониторинг ионных каналов.
7. Перепрограммирование нейронов.
8. Биодеградирующие импланты.
9. Нейромемристоры.
10. Нейрочипы, искусственные нейроны и синапсы.
11.* Биоэлектроника.
12.* Средства доставки.
Микро- и нано- нейроэлектроды: одиночные, матричные, сетевые.
Начать обзор можно с традиционного, в нейрофизиологии и нейромедицине, способа инвазивного воздействия на нервную ткань: введением отдельных электродов, групп электродов, матриц электродов, и сеток электродов. Но пакеты таких электродов являются достаточно жесткими, раздражающими, иммунно-отторгаемыми, или обволакиваемыми защитным слоем клеточных тканей. Что затрудняет процесс коммуникации с нервной системой, и большинство систем с вживляемыми электродами работоспособны недолго, несколько суток, максимум пару месяцев. Это называется «проблемой биосовместимости».
|
|
|
Упомянутые выше ученые из Гарвардского университета, возглавляемые профессором химии Чарльзом Либером (Charles Lieber), успешно решили эту проблему. Созданная ими сетка вживляемых электродов практически лишена всех упомянутых выше недостатков, и ее применение уже позволило произвести запись деятельности нейронов мозга подопытного животного, непрерывно на протяжении восьми месяцев, чего уже достаточно для отслеживания «долговременных» изменений мозга. Основой новых вживляемых электродов является сетка из очень тонких кремниевых проводников, покрытых слоем биологически совместимого полимерного материала. Толщина проводников и защитного слоя выбраны так, что в точках пересечения нанопроводников образуются, своего рода, полевые транзисторы. Размеры этих сеток столь малы, что они сворачиваются естественным образом, попав в жидкость с определенной концентрацией солей, и могут быть введены в мозг при помощи шприца. Попав в мозг, сетка распрямляется, и закрепляется на поверхности нейрона. В данном случае, нейрон начинает выступать в роли управляющего электрода (затвора) полевого транзистора. Когда он активируется и генерирует электрический импульс, транзистор открывается, и через него протекает ток, который измеряется специальным устройством, что позволяет получить достаточно четкую картину сигналов, циркулирующих в нейронах головного мозга. Сейчас исследователи пробуют включить в матрицу открытые электроды, которые позволят реализовать процесс электрического возбуждения нейронов. Такая комбинация позволит ученым, в случае идентификации ранней стадии заболевания, использовать электрическую стимуляцию для остановки или замедления этого процесса. Помимо всего этого, группа Чарльза Либера собирается использовать данную технологию и на других участках нервной системы. К примеру, сетка электродов на сетчатке глаза, может снабдить ученых информацией о работе зрительной системы. А электроды, внедренные в спинной мозг, смогут дать ученым массу новой информации и обеспечить совершенно новые формы терапевтического лечения. Статья, с описанием нового метода, опубликована журналом Nature Methods.[7],[8]
Группой исследователей из Орегонского университета (Oregon State University, OSU) так же предлагается заменить отдельные вводимые электроды – матрицей электродов, сразу из группы в 100 микроэлектродов USEA (Utah Slanted Electrode Array), площадью по 16 кв. мм., в нервные ткани конечности подопытного животного (кошки, в данном случае). Матрица состоит из электродов разной высоты, что обеспечивает ее контакт с различными слоями нервных тканей. Работа была опубликована в Frontiers in Neuroscience.[9]
Исследовательская группа, возглавляемая учеными из Калифорнийского университета в Сан-Диего (the University of California San Diego), разработала новую технологию изготовления матриц из нанопроводников, использование которой позволит произвести запись электрической деятельности отдельных нейронов в самых мелких деталях. А практическое применение таких матриц наноэлектродов и нанопроводников позволит в будущем с большей точностью определить нюансы «общения» между собой отдельных нейронов, входящих в состав больших нейронных сетей, что, в свою очередь, позволит выяснить реакцию организма на использование новых лекарственных препаратов и новых методов лечение неврологических заболеваний. В настоящее время исследователи, занимающиеся изучением деятельности отдельных нейронов, используют нейроны, выращенные в пробирке из так называемых плюрипотентных стволовых клеток. Этот подход дает ученым массу информации, но ее еще большее количество можно получить только подключившись напрямую к нейронам головного мозга. «Сейчас мы адаптируем технологию изготовления наноэлектродов и нанопроводников для того, чтобы при ее помощи можно было создать устройство, которое можно имплантировать в мозг человека» - рассказывает Шади Даье (Shadi Dayeh),, профессор из Калифорнийского университета, - «Наша технология позволит создавать имплантаты, которые внедряются в мозг, не нарушая целостности нейронов и не оказывая влияния на их функционирование». Пока новая технология позволяет производить измерения и запись электрических ионных канальных токов и изменения внутриклеточного электрического потенциала. Как уже упоминалось выше, данная информация позволяет судить о «состоянии здоровья» нервной клетки, об его активности и о реакции на определенные химические вещества. Но у данной технологии имеется гораздо более широкий потенциал, при ее помощи можно будет заново соединить разорванные нейронные связи, восстанавливая работоспособность пораженных какой-либо болезнью нервных тканей. Сообщение опубликовано в Kurzweil A ccelerating I ntelligence. Статья опубликована в N ano L ett ers.[10],[11]
Однако, как уже было отмечено выше, такие решетки крайне некомфортны, и вызывают воспаление тканей, а, кроме того, очень дороги. Но главный их недостаток заключается в том, что они способны регистрировать активность только групп нейронов, а не индивидуальных клеток. Исследователи из США и Китая применили мозговой имплантат, лишенный этих недостатков, и регистрирующий активность отдельных нейронов. Впервые, от испытаний на мышах (2013), учёные успешно перешли к клиническим испытаниям на людях. Устройство NeuroGrid позволяет выявлять очаги поражения в мозге больных эпилепсией, и представляет собой решетку, толщиной около 4 микрон, сделанную из парилена (поли-n-ксилилена). Решетка покрывает площадь коры мозга около 420 мм2. По консистенции она напоминает тонкую целлофановую пленку, и хорошо прилипает к влажным поверхностям — таким, как головной мозг. На решетке сидит 120 полимерных проводящих электродов. На каждые 10 из них приходится один провод, который присоединяется к силиконовому чипу, находящемуся вне мозга, и выполняющему функцию усилителя сигнала. Чип проводит компрессию сигналов, и по проводу посылает их в компьютер, который затем проводит их декомпрессию и анализ. В дальнейшем, авторы планируют усовершенствовать имплантат: сделать блок питания и усилитель сигнала полностью имплантируемыми в мозг, а также усилить их эффективность. Работа была опубликована в журналах Nature Neuroscience[12] и Science Advances.[13]
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 142; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!