Тройной барьер электродов интерфейса мозг–компьютер

Стажёр-журналист Юнь Цзинфэй

Один электрод всё больше превращается в «Шанганлине» индустрии интерфейсов мозг-компьютер. Пока внешние наблюдатели активно сравнивают количество каналов и размеры чипов, один более фундаментальный вопрос остаётся без ответа: как долго можно использовать этот имплантат, вживлённый в мозг? Но перед вопросом «сколько он прослужит» стоит ещё более первостепенная проблема: из какого материала его делать? В случае инвазивных методов после операции, как собирать данные и на какую глубину проникать? Индустрия активно ищет решения.

Проблема жёсткости: материал должен быть мягким

«Мозг мягкий как тофу, а традиционные металлические или кремниевые датчики очень твёрдые, при внедрении они разрезают мозговую ткань на микроуровне, а при дыхании смещаются, что мешает стабильному отслеживанию сигналов. Более того, жёсткие материалы вызывают иммунную реакцию отторжения, что приводит к гибели нейронов в месте имплантации и исчезновению ранее чётких сигналов», — рассказал специалист из отрасли журналисту «Цзжуншибао».

«Материал должен быть мягким» — это стало общим консенсусом в индустрии. В связи с этим начали развиваться две основные технологические линии: одна — поиск новых мягких материалов, другая — инженерная оптимизация существующих популярных материалов.

Команда Лю Цзя выбрала разработку нового материала — перфторэластомера, который одновременно эластичен, как резина, и устойчив к коррозии жидкостями. В 2021 году Лю Цзя и его коллеги основали компанию Axoft, продукция которой получила признание FDA как прорывное устройство. Поскольку материал и мозг — оба эластомеры, при дыхании и других физиологических процессах он не смещается относительно ткани, что по сути решает проблему дрейфа электродов и иммунного отторжения.

Однако это не единственный путь. «На сегодняшний день большинство инвазивных гибких электродов, таких как Neuralink и Ladder Medical, используют полиимидный материал, снижая его жёсткость для достижения ‘физической гибкости’», — отметил руководитель проекта мозгового интерфейса в Институте будущих технологий и биомедицины Пекина Чжан Сяоцзюнь. Это результат десятилетий лабораторных исследований — материал обладает хорошей биосовместимостью и электропроводностью, цепочка поставок зрелая и стоимость контролируемая.

Полиимид не является окончательным решением. Генеральный директор Shenzhen Weiling Medical Ли Цзянфу признался, что срок действия существующих технологий — всего два-три года, и для обеспечения пожизненной функции всё равно потребуется замена материалов в мозге.

Что касается полиимидного пути, компании экспериментируют с технологическими и структурными решениями. Например, компания Zhiran Medical разработала растягиваемый гибкий электрод, который благодаря разгрузке напряжения способен следовать ритмическим движениям мозга. Ladder Medical создала электрод толщиной всего 1 микрометр, что примерно в триста раз тоньше человеческого волоса. Команда Лю Цзя придумала структуру «швейцарского рулета»: двумерная гибкая плёнка свёрнута в иглу, что позволяет интегрировать 1024 канала в один игольчатый электрод, балансируя между высокой пропускной способностью и стабильностью на длительный срок.

Пути развития: «вставлять» или «приклеивать»

Помимо спора о материалах, существует более фундаментальный разлом — как именно должен устанавливаться электрод: «вставлять» или «приклеивать»?

«Neuralink использует глубокие электродные имплантаты, которые вставляются в кору мозга, как волоски», — отметил основатель и главный учёный BrainTiger Technologies Тау Ху. В то время как BrainTiger предпочитает прикреплять тонкие плёночные электродные устройства к поверхности коры. Глубокие электродные системы сталкиваются с двумя основными проблемами: иммунным отторжением, вызывающим снижение сигнала, и риском физического повреждения из-за колебаний электродов. «Безопасность пациента — наш главный приоритет».

Shenzhen Weiling Medical пошли ещё дальше. Их разработанный высокоплотный корковый электрод толщиной всего 10 микрометров может прикрепляться к неровной поверхности мозга как плёнка. «После внедрения часть коры практически уничтожается. Если электрод выйдет из строя, его невозможно заменить», — подчеркнул Ли Цзянфу. С точки зрения медицинской этики, лечение не должно причинять повторных повреждений. Такой «приклеенный» электрод легко снимается раствором соли и не наносит вреда тканям мозга.

Из этого следует, что в индустрии сформировались два подхода: одна — «медицинский», ориентированный на восстановление и замену нейронных функций; другая — «технологический», копирующий путь Neuralink, демонстрирующий управление курсором или коляской. Он сложен с технической точки зрения, но его клиническая ценность зачастую преувеличена.

Риск и перспектива: от клиники к массовому применению

«По крайней мере в аппаратной части отечественные электродные материалы уже достигли мирового уровня», — отметил Лю Цзя.

Однако «последний микрон» остаётся проблемой.

«Главная сложность — сможет ли обеспечить долгосрочную стабильность сбор данных от отдельных нейронов», — говорит Лю Цзя. Вопрос не в электросвой характеристиках, а в том, сможет ли электрод, внедрённый в мозг, на протяжении месяцев или лет стабильно «слушать» активность нейронов. «На животных уже проверена долговечность электродов, но на людях — ещё нет», — добавил он.

Это огромный разрыв. Эксперименты на животных могут длиться два года, показывать хорошие результаты, а человеческий мозг — гораздо сложнее: иммунные реакции, глиальные рубцы — эти факторы трудно полностью воспроизвести на животных и они могут со временем ухудшать качество сигналов. «Проверка требует длительного наблюдения и последующего анализа, чтобы понять, как улучшать материалы, дизайн и методики», — подчеркнул Лю Цзя.

Что касается масштабного внедрения, эксперты единодушны: «Время ещё не пришло». Большинство клинических испытаний отечественных компаний запланировано на 2025 год и позже. В качестве высокорискованного медицинского изделия третьего класса, его одобрение и массовое распространение — долгий путь.

Ли Цзянфу развеял мифы о хирургии: «Это не так, как Муск обещает, что сегодня имплантировал — завтра уже прыгаешь и бегаешь». Для пациента адаптация к чужеродному телу — очень долгий процесс. «Минимальный срок — год», — отметил он.

Все участники согласны, что «долгосрочная безопасность требует времени для проверки».

Проблема не только в электродах. «Нейрошифрование и декодирование также сталкиваются с дефицитом кадров и «данных-островов» — мало открытых данных по электроэнцефалографии, и индивидуальные различия очень велики», — добавил Тау Ху. Аппаратное обеспечение — лишь вершина айсберга, за ним скрываются алгоритмы, данные и длительный клинический цикл.

«Время покажет, кто сможет, а кто — нет», — подытожил Лю Цзянфу.