Ученые из Шанхайского университета Цзяотун нашли способ сделать крошечные электроды для исследований мозга гораздо более надежными. Речь идет об ультрамикроэлектродах — инструментах настолько маленьких, что они могут проникать внутрь одной-единственной клетки, чтобы считывать ее сигналы. Раньше с этим была большая проблема: токопроводящий кончик иглы было трудно защитить от посторонних шумов. Любое покрытие, которое наносили для изоляции, либо повреждалось, либо его нельзя было точно удалить с самого кончика, чтобы открыть рабочую поверхность. Из-за этого сигнал «плавал», и доверять таким измерениям было сложно.

Инженеры придумали изящное решение. Они покрыли электрод алмазоподобной углеродной пленкой — этот материал очень прочный, не боится нагрева и, что важно для биологии, не вредит живым клеткам. А затем обработали кончик иглы струей холодной микроплазмы. Представьте себе очень тонкое, почти невесомое плазменное «зубило», которое аккуратно срезает защитную пленку строго на нужную длину. В эксперименте ученые показали, что могут управлять этим процессом с точностью до долей микрона, не повреждая сам металлический электрод.

Зачем такая точность? Оказалось, что если открыть кончик ровно настолько, насколько нужно, то уровень шума при записи сигнала падает, а точность измерений резко возрастает. Когда электроды с таким покрытием поместили в среду с живыми нейронами, клетки прекрасно себя чувствовали и не проявляли признаков стресса. Это подтвердило, что материал безопасен. В ходе тестов с измерением кислотности внутри клеток новый электрод показал себя очень стабильно и надежно, что открывает дорогу для его использования в длительном мониторинге того, что происходит внутри нейронов.

Подробности опубликованы в издании Microsystems & Nanoengineering.

Руководитель исследования профессор Цзинцюань Лю считает, что это серьезный шаг вперед в создании нейроинтерфейсов. Ведь теперь мы можем сделать прибор, который прослужит дольше и будет давать чистый сигнал без помех. А это важно не только для фундаментальной науки, но и для будущих методов лечения болезней мозга — от болезни Альцгеймера до Паркинсона. Если ученые научатся точно слушать, о чем «говорят» отдельные клетки, они смогут раньше замечать неполадки и понимать, как работают новые лекарства.

• Преимущества для науки: мы переходим от наблюдения за популяциями клеток к разговору с каждой клеткой лично. Метод позволяет создать единый стандарт электродов. Сейчас часто результаты экспериментов в разных лабораториях несопоставимы именно из-за разброса в характеристиках зондов. Если плазменная обработка позволит штамповать идеально одинаковые кончики, это повысит воспроизводимость исследований. Это как перейти от самодельных лодок к серийным катерам для исследования океана.
• Для реальной жизни: в перспективе это нейроимпланты, которые не «слепнут» через месяц. Представьте себе „умный“ электрод для глубокой стимуляции мозга. Сейчас он просто долбит током заданную зону. А если бы он мог постоянно считывать ответную реакцию нейронов и подстраивать стимуляцию в реальном времени? Это возможно только с такими стабильными и чистыми сигналами, как в этой работе. Для пациентов с эпилепсией это шанс на систему раннего оповещения о приступе, вживленную прямо в мозг.

Работа интересная, но без скидок на молодость и красоту метода есть один системный вопрос. Авторы блестяще показали, как контролировать геометрию оголенного кончика in vitro. Однако главная проблема долговременных внутриклеточных записей in vivo — это не столько изначальная точность зачистки, сколько то, что произойдет с этим кончиком через неделю в живой ткани.

Алмазоподобное покрытие действительно прочное, но адгезия между ним и металлом электрода при постоянных микроподвижках мозга в черепной коробке — это отдельная история. В статье не хватает данных усталостных испытаний. Что произойдет с границей раздела «пленка-металл» после миллиона циклов механической деформации, имитирующей пульсацию мозга и дыхание животного? Не начнет ли плазма обработанный край отслаиваться, оголяя непредсказуемую дополнительную площадь? Без ответа на этот вопрос говорить о триумфе долговременной стабильности пока рано.

Ранее ученые улучшили батареи сухими электродами.