Ультрагибкий микрозонд добрался по крысиным сосудам от шеи до мозга

Ученые из США создали сверхгибкий эндоваскулярный зонд, с помощью которого можно добраться до глубоких сосудов мозга, чтобы записать нейронную активность. Зонд вводили в мозг крыс через сонную артерию на шее и регистрировали нейронную активность под анестезией и после введения пенициллина, вызывающего эпилепсию. Зонд не повредил сосуды и не вызвал воспаления, говорится в статье, опубликованной в Science.

Нейроинтерфейсы или интерфейсы «мозг-компьютер» помогают считывать активность мозга и направлять ее — в итоге человек может контролировать протез или управлять парализованными конечностями. Но неинвазивные способы записывать нейронную активность (электроэнцефалография или электрокортикография) не очень точны и эффективны и ограничены только поверхностью мозга. Чтобы регистрировать активность отдельных нейронов или их групп в разных частях мозга, электроды надо имплантировать внутрь черепа. Но так можно повредить мозг, вызвать кровотечение или воспаление.

К нейронам можно подобраться и иначе — по кровеносным сосудам. Ранее исследователи смогли записать ЭЭГ человека, введя через сонную артерию катетер из нержавеющей стали с электродом 1,5×0,6 миллиметров в среднюю мозговую артерию диаметром 2,9 миллиметров в мозге. Но ввести громоздкий и жесткий металлический стент в микрометровые сосуды нельзя. В 2016 году ученые из Австралии и США создали внутрисосудистое устройство с электродами, которое успешно имплантировали в мозг овцы, однако оно не было достаточно компактным и гибким и большая часть мозга оставалась недоступна. Другое гибкое внутрисосудистое устройство, управляемое с помощью магнитов, тестировали на ушах кроликов ex vivo.

Аньци Чжан (Anqi Zhang) из Стэндфордского университета и его коллеги создали ультрагибкий зонд, который помещается в сосуды диаметром менее 100 микрометров, и проверили его на крысах.

Зонд представляет собой гибкий стержень, на одном конце которого расположено ультрагибкое сетчатое устройство с 16 электродами на полимерной основе SU-8, а на втором — устройство ввода вывода. Зонд помещается в микрокатетер, который вводится в сосуд. Потоком физиологического раствора по микрокатетеру зонд вводится в более глубокие сосуды. Микрокатетер затем вынимается, а зонд остается внутри мозга. Устройство ввода-вывода располагается снаружи. Уже в целевом сосуде область с электродами расширяется как стент, чтобы записывать нейронные сигналы через сосудистую стенку.

Ученые имплантировали зонд в мозг анестезированных крыс. Микрокатетер с зондом через наружную сонную артерию вводили во внутреннюю сонную артерию до того места, где она разветвляется на среднюю мозговую артерию (MCA) и переднюю мозговую артерию (ACA). MCA снабжает кровью кору, а ACA — обонятельную луковицу. Далее в одну из этих артерий вводили сам зонд с помощью физраствора.

По той же схеме проводят окклюзию средней мозговой артерии, чтобы смоделировать инсульт у грызунов. В таком случае в сонную артерию вставляется нить накала до тех пор, пока она не перекроет бифуркацию (место разветвления) MCA/ACA.

Исследователи создали зонды с направляющей проволокой шириной 25 и 75 микрометров, чтобы ввести их в MCA и ACA соответственно. Из 18 зондов с 25-микрометровыми направляющими 72 процента удалось имплантировать в MCA, а из 8 зондов с 75-микрометровыми направляющими 88 процентов ввели в ACA. Авторы убедились, что зонды не деформируются и не проникают через стенки сосудов.

Ученым удалось получить сигналы со всех 16 электродов, а амплитуда колебаний (от 200 микровольт до 2 милливольт) и доминирующая частота (менее 2 герц) соответствовали дельта-волнам, которые характерны для мозга, анестезированного кетамином или ксилазином. Также зонд позволил зафиксировать сигналы от отдельных нейронов, чего раньше — с помощью существующих эндоваскулярный зондов — сделать было нельзя.

Также ученые вызвали у крыс приступы эпилепсии, введя в кору правого полушария, где размещали зонды, пенициллин. На электрофизиологических записях с зондов была видна судорожная активность — двусторонние спайки и комплексы спайк-волна. При этом всплески регистрировали только 3 соседних электрода из 16, размещенных в MCA, — то есть с помощью такого зонда можно локализовать очаги судорог. Авторы выяснили, что всплески судорог начинаются локализовано в коре, а затем распространяются на другие области мозга.

Имплантация зонда значительно не повлияла на мозговой кровоток. На 1, 3, 7, 14 и 28 день после имплантации исследователи проводили с крысами поведенческие тесты. Уже на третий день крысы не демонстрировали никакого неврологического дефицита.

Спустя 28 дней после обычного стентирования стенки артерий крысы существенно утолщаются. Поэтому спустя 28 дней авторы провели гистологическое исследование MCA, чтобы выяснить, как повлияло введение зонда, — для этого животных пришлось умертвить. Целостность гематоэнцефалического барьера сохранилась, а стенки сосудов не были толще обычного. Значительного иммунного ответа в мозге крыс ученые тоже не обнаружили — микроглии и астроцитов в области MCA не стало больше. Таким образом, гибкий зонд не вызывал тех побочных эффектов, которые бывают при введении жестких эндоваскулярный зондов, — включая хронический венозный тромбоз и окклюзию.

Ранее биоинженеры из Гонконга напечатали микроракету, которая перемещалась по резиновому сосуду с кровью и по уху анестезированной мыши со скоростью до 2,8 миллиметра в секунду. Подобные устройства используются для доставки лекарств через кровеносные сосуды и лечения опухолей.