Трьохступенева система електродів мозково-комп'ютерного інтерфейсу

Практикуючий журналіст Юн Цзінфей

Одна електродна голка все більше стає «Шанганліном» у галузі інтерфейсів мозок-комп’ютер. Коли зовнішній світ активно порівнює кількість каналів і розмір чіпів, одне більш базове питання залишається невирішеним: скільки часу можна використовувати цю голку, яка проникає у мозок? А перед тим, як відповісти на питання «скільки можна використовувати», постає ще більш передній виклик: з яких матеріалів її зробити? У випадку інвазивного підходу, після відкриття черепа, як збирати дані і на яку глибину проникати? Галузь активно шукає рішення і досліджує можливі підходи.

Проблема жорсткості: матеріал обов’язково має бути м’яким

«Мозок м’який, як тофу, а традиційні металеві або кремнієві датчики особливо жорсткі, вони при проникненні руйнують мозкову тканину на мікроскопічному рівні, а також зміщуються під час дихання, що ускладнює стабільне відстеження сигналів. Ще гірше, що тверді матеріали викликають імунну реакцію відторгнення, що призводить до загибелі нейронів у місці імплантації, і сигнали, які раніше були чіткими, з часом зникають», — пояснює фахівець галузі для газети Securities Times.

«Матеріал обов’язково має бути м’яким» — це стала загальною згодою в галузі. На цій основі почалися два технічних шляхи: пошук нових м’яких матеріалів або оптимізація існуючих основних матеріалів.

Команда Лю Цзя обрала безпосередню розробку нових м’яких і водночас міцних матеріалів — перфторвмісних еластомерів, які мають еластичність, схожу на гуму, і водночас стійкі до корозії. У 2021 році Лю Цзя та інші заснували компанію Axoft, їхній продукт отримав сертифікацію FDA як проривний пристрій. Оскільки цей матеріал і мозок — еластомери, під час фізіологічних процесів, таких як дихання, він не створює відносних зсувів, що з теоретичної точки зору вирішує проблему дрейфу електродів і імунної реакції.

Однак, це не єдиний шлях. «Зараз у світі більшість інвазивних гнучких електродів, таких як Neuralink і Ladder Medical, використовують поліімідний матеріал, зменшуючи жорсткість згину для досягнення ‘фізичної гнучкості’», — говорить Лю Сяоцзюнь, керівник проекту мозкових інтерфейсів у Інституті майбутніх технологій і здоров’я при Пекінському університеті. Це результат десятиліть лабораторних досліджень — матеріал має хорошу біосумісність і провідність, а ланцюг постачання зрілий і контрольований за ціною.

Поліімідний матеріал не є кінцевим рішенням. Кіноіндустрія Shenzhen MicroLinq Medical, її директор з маркетингу Лі Цзянфу, зізнається, що сучасні технології мають приблизно дво- або трирічний термін дії, і для забезпечення довічної функціональності потрібно замінювати матеріали у мозку.

Щодо поліімідної лінії, компанії досліджують різні технології та структури. Розробка компанії Zhiran Medical — розтяжні гнучкі електроди, які за допомогою роз’єднання напруги здатні слідувати ритмічним рухам мозкової тканини. Ladder Medical створила електроди розміром з клітку — товщиною всього 1 мікрометр, площа перерізу яких становить третину волосини. Команда Лю Сяоцзюня винайшла унікальну структуру «швейцарського рулету», яка згинає двовимірну гнучку плівку у голку, здатну інтегрувати 1024 канали в один голковий пристрій, балансуючи між високопродуктивною обробкою даних і довгостроковою стабільністю.

Питання шляху: «вставити» чи «приклеїти»

Крім боротьби за матеріал, більш фундаментальним розходженням є: чи має електрод «вставлятися» у мозок, чи «приклеюватися» на його поверхню?

«Neuralink використовує глибокий електродний шлях — він вставляється у кору мозку, як волосина», — зазначає Тау Ху, засновник і головний науковий співробітник компанії Brain虎. Вибір компанії Brain虎 — приклеювання тонкої плівки електрода на поверхню кори мозку. Глибокі електроди мають дві головні проблеми: імунна реакція, що зменшує сигнал, і ризик фізичних пошкоджень через рух електрода. «Ми обов’язково ставимо безпеку пацієнта на перше місце».

Shenzhen MicroLinq Medical йде ще далі. Їхній розроблений високоплотний корковий електрод товщиною всього 10 мікрометрів, який можна приклеїти до нерівної поверхні кори, як тонку плівку. «Після вставки (через ‘вставний’ електрод) ця частина кори фактично стає непридатною. Це означає, що якщо електрод виходить з ладу, його вже не можна замінити у пацієнта», — підкреслює Лі Цзянфу. З точки зору медичної етики, лікування не повинно спричиняти додаткові пошкодження. Такий «приклеєний» електрод можна легко зняти промиванням сольовим розчином, і він не шкодить мозковій тканині.

Звідси, на думку Лі Цзянфу, галузь розділилася на два ціннісні напрямки: один — «медичний», спрямований на відновлення і заміну нейронних функцій; інший — «технічний», що повторює шлях Neuralink, демонструючи управління курсором або керування інвалідним візком. Він не заперечує складність технологій, але вважає, що їхня клінічна цінність сильно перебільшена.

Питання ризику: від клініки до масового впровадження — довгий шлях

«Щонайменше на рівні апаратного забезпечення, вітчизняні матеріали для електродів вже досягають світового рівня», — каже Лю Сяоцзюнь.

Однак «останній мікрон» залишається проблемою.

«Головна проблема — чи зможе довгостроково стабільно збирати сигнали від окремих нейронів», — прямо говорить Лю Сяоцзюнь. «Проблема не у електричних характеристиках електродів, а у тому, чи зможуть вони, після імплантації у мозок, протягом місяців або років стабільно ‘слухати’ активність окремих нейронів». «Зараз у тварин вже підтверджена довгострокова стабільність, але відсутні дослідження на людях».

Це — велика прірва. Експерименти на тваринах тривають два роки, дані виглядають чудово, але людське мозкове середовище набагато складніше: імунна реакція, утворення гліальних рубців — ці фактори важко повністю відтворити у тварин, і вони можуть з часом зробити сигнали нечіткими. «Це підтвердження важке, оскільки потрібно довгий час спостережень і на основі результатів — подальше вдосконалення матеріалів, дизайну і методик», — пояснює Лю Сяоцзюнь.

Щодо масштабного впровадження галузі, експерти одностайні: «час ще не настав». Більшість клінічних досліджень у країні планується почати після 2025 року. Як високоризикова медична техніка третього класу, ці пристрої мають довгий шлях від клінічної перевірки до виходу на ринок і широкого застосування.

Лі Цзянфу особливо підкреслює, що поширені міфи про операції — «не так, як Муску хвалиться, що сьогодні імплантував — завтра вже бігає». Пацієнти мають пройти довгий шлях адаптації до чужорідного тіла. «З медичної точки зору, один рік — це мінімальний термін».

Усі опитані погоджуються, що «її довгострокова безпека потребує часу для підтвердження».

Проблеми не обмежуються лише електродами. «Нейрошифрування і кодування ще стикається з дефіцитом кадрів і ‘даними-острівками’ — дуже мало відкритих даних з EEG, і різниця між людьми дуже велика», — додає Тау Ху. «Апаратне забезпечення — лише вершина айсберга, під водою — алгоритми, дані і довгострокова клінічна перевірка».

«Час покаже, хто зможе, а хто ні», — підсумовує Лю Сяоцзюнь.