Собираясь утром на электрокардиографию, колготы и кофты с узким рукавом лучше не надевать, иначе в кабинете врача придется снимать всю одежду. Очередь в коридоре после затянувшейся процедуры довольными лицами не встретит. «Закатайте брюки и рукава, лягте на кушетку, — сухо говорит медсестра и чуть мягче добавляет, — Постарайтесь расслабиться». Расслабление дается с трудом, ведь перед тем как подсоединить электроды, женщина в белом халате наносит на запястья и лодыжки пациента противный холодный гель, который после диагностики еще нужно оттереть от кожи.

Неудобства во время процедуры, нередко ошибочные результаты, невозможность длительных измерений, а также потребность в наблюдении за активностью мышц и мозга — все это толкает ученых к открытиям новых методов и устройств для диагностики. В 2015 году Франческо Греко, руководитель лаборатории прикладных материалов для печатной и мягкой электроники в Институте физики твердого тела при Технологическом университете Граца, совместно с итальянскими коллегами разработал так называемые «тату-электроды».

Это проводящие полимеры, которые печатаются с помощью струйного принтера на стандартной татуировочной бумаге. «Тату» приклеивается к коже и не требует жидкой «смазки» для измерения электрических сигналов. Толщина электрода от 700 до 800 нанометров — примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса — позволяет ему адаптироваться под все неровности кожи. В 2018 году команда оптимизировала созданный электрод. Модификация открыла новые пути в электрофизиологических исследованиях сердца и мышц: электрокардиографии (ЭКГ) и электромиографии (ЭМГ).

Франческо Греко — руководитель исследований

Прорыв ненадолго утолил исследовательскую жажду ученых. Теперь группа Греко преобразовала сухие тонкие электроды таким образом, что их также можно использовать в электроэнцефалографии (ЭЭГ) — для измерения мозговой активности. Разработка подробно описана в статье, недавно опубликованной в npj Flexible Electronics.

«Мозговые волны находятся в низкочастотном диапазоне, а сигналы ЭЭГ имеют очень низкую амплитуду. Их гораздо сложнее получать с высоким качеством, чем сигналы ЭМГ или ЭКГ». Чтобы достигнуть той же эффективности, что у обычных электродов, разработчики оптимизировали состав проводящего полимера и толщину бумаги. Модификация привела к более плотному соединению с кожей. Клинические испытания показали, что измерение ЭЭГ с оптимизированными «татуировками» столь же успешно, как и с обычными электродами для ЭЭГ.

Помимо сухости и возможности проведения длительных измерений, среди плюсов «тату"-электродов разработчики указывают стоимость. «Благодаря струйной печати и имеющимся в продаже подложкам, «татуировки» значительно дешевле, чем обычные электроды для ЭЭГ».

Возможно, в будущем полезные «татуировки» помогут ученым больше узнать о работе мозга, например, о процессах, идущих во сне. Тонкие наклейки на кожу понравятся участникам экспериментов намного больше, чем электродные сетки, вживляемые прямо в мозг.

Впервые создана работающая система для протеза головного мозга

Протез — это искусственное устройство, которое заменяет поврежденную или отсутствующую часть тела. Можно легко представить пирата с деревянной ногой или знаменитую роботизированную руку Люка Скайуокера. Теперь попробуйте представить протез, который заменяет часть поврежденного мозга. Ученые, тем не менее, создали работающую с помощью оптогенетики систему для протезирования человеческого или любого другого головного мозга. Об этом сообщает Scientific Reports.

Хотя было разработано всего несколько типов искусственных нейронов, ни один из них не был по-настоящему практичным для нейропротезов. Одна из самых больших проблем заключается в том, что нейроны в мозге связываются очень точно, но электрический выход из типичной электрической нейронной сети не способен нацеливаться на конкретные нейроны. Чтобы преодолеть эту проблему, команда преобразовала электрические сигналы в свет. Достижения в оптогенетике позволили точно нацелить нейроны в очень маленькой области биологической нейронной сети.

Оптогенетика — это технология, которая использует преимущества нескольких чувствительных к свету белков, обнаруженных у водорослей и других животных. Вставка этих белков в нейроны является своего рода хаком; как только они появятся, свет от нейрона сделает его активным или неактивным, в зависимости от типа белка.

В этом случае исследователи использовали белки, которые были активированы специальным синим светом. В своем эксперименте они сначала преобразовали электрический выход нейронной сети в клетчатый узор из синих и черных квадратов. Затем они осветили эту схему на квадрат 0,8 на 0,8 мм биологической нейрональной сети, растущей в чашке. Внутри этого квадрата непосредственно активировались только нейроны, включенные светом синих квадратов.

Спонтанная активность в культивируемых нейронах вызывает синхронную активность, которая следует определенному ритму. Этот ритм определяется тем, как нейроны связаны друг с другом, типами нейронов и их способностью адаптироваться и изменяться.

«Ключом к нашему успеху было понимание того, что ритмы искусственных нейронов должны совпадать с ритмами реальных нейронов. Как только мы смогли это сделать, биологическая сеть смогла ответить на “мелодии” от искусственного. Предварительные результаты, полученные в ходе европейского проекта Brainbow, помогают нам создавать эти биомиметические искусственные нейроны». 

Тимоти Леви из Института промышленных наук Токийского университета и лаборатории IMS Университета Бордо 

Они настроили искусственную нейронную сеть, чтобы использовать несколько разных ритмов, пока не нашли лучшее соответствие. Группы нейронов были назначены определенным пикселям в сетке изображения, и затем ритмическая активность смогла изменить визуальный паттерн, который был освещен культивируемыми нейронами. Световые паттерны были показаны на очень маленькой области культивируемых нейронов, и исследователи смогли проверить местные реакции, а также изменения в глобальных ритмах биологической сети.

Команда надеется, что будущие протезы, использующие их систему, смогут заменить поврежденные мозговые цепи и восстановить связь между областями мозга.

Американские учёные создали элементную базу для биокомпьютера

Американские учёные создали устройство хранения информации на основе белковых нанонитей и металлических электродов, что может стать элементной базой для биокомпьютера, работающего подобно человеческому мозгу и со сверхнизким энергопотреблением. Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Communications.