Доцент Такеши Кавано, факультет инженерии электротехнической и электронной информации Технологического университета Тоёхаси (TUT) и исследовательская группа из Междисциплинарного научно-исследовательского института, ориентированного на электронику (EIIRIS), разработали игольчатый электрод диаметром менее более 10 мкм, используя выращивание кристаллов полупроводникового материала кремния. Микромасштабный коаксиальный игольчатый электрод имеет два электрода в игле, что позволяет производить дифференциальные записи на очень близких расстояниях, что ранее было затруднительно с обычными электродными устройствами. Кроме того, микромасштабный электрод снижает повреждение тканей по сравнению с обычными электродами. Эти преимущества коаксиального электрода обеспечивают высококачественную регистрацию нейронных сигналов, что невозможно реализовать с помощью традиционных методов, и ожидается, что коаксиальный игольчатый электрод может быть использован в качестве нового метода электрофизиологии в области нейробиологии.
Нейронные сигналы могут быть обнаружены путем проникновения тонкого электрода в ткань мозга. Они являются очень важной технологией для электрофизиологической записи в ткани мозга, и, используя преимущество высокого пространственного разрешения, можно получить подробную информацию о нейронной активности. Например, в технологии интерфейса мозг-машина (ИМТ) – метода, который позволяет пациенту перемещать протез руки или ноги с помощью сигналов из своего мозга – технология, используемая для имплантации электродов в мозг пациента и записи нейронных сигналов с высоким пространственное разрешение очень важно. Также важно поддерживать высокое отношение сигнал / шум при записи сигналов. Электрические сигналы от нейронов чрезвычайно малы, порядка десятков мкВ (1/100 000 от 1 В), а качество сигнала ухудшается из-за шума, распространяющегося в тканевом пространстве. Это означает, что электродные устройства должны иметь высокое пространственное разрешение и быть устойчивыми к шумам. Кроме того, требуется геометрия электрода 10 мкм или меньше, чтобы избежать повреждения ткани головного мозга.
Чтобы решить эти проблемы, связанные с электродами, исследовательская группа использовала метод выращивания пар-жидкость-твердое тело (VLS) – технологию выращивания кремния – для разработки игольчатого электродного устройства, в котором два электрода были расположены близко друг к другу < Игла диаметром 10 мкм, чего раньше никогда не было. Команда использовала электродное устройство, изготовленное таким образом, для выполнения локальной дифференциальной регистрации нейрональной активности с двумя электродами, расположенными на расстоянии 6 мкм друг от друга. В результате команда впервые в мире достигла высококачественного сбора нейронного сигнала с высоким соотношением сигнал / шум.
Синноске Идогава, доктор философии.D. студент ТУТ и ведущий автор, прокомментировали, "Для достижения предложенной локальной дифференциальной записи мы предложили микроигольчатый электрод на основе коаксиального кабеля. Этот коаксиальный электрод позволяет значительно уменьшить расстояние между электродами до 6 мкм по сравнению, например, с расстоянием между электродами около 200 мкм, когда обычные игольчатые электроды расположены рядом. Кроме того, выполняя локально-дифференциальную запись с этими двумя электродами, мы смогли уменьшить шум во время записи. Кроме того, благодаря крошечному игольчатому электроду диаметром менее 10 мкм мы можем уменьшить повреждение тканей по сравнению с обычными электродами диаметром 50 мкм и более. Следовательно, мы разработали электродное устройство, которое может записывать нейронные сигналы с высоким качеством и низкой инвазивностью.
Исследовательская группа считает, что необходимо будет проверить, может ли предложенный коаксиальный электрод давать стабильные записи в течение длительного периода времени, а также оценить повреждение тканей. Благодаря этой работе исследовательская группа стремится реализовать высококачественное получение нейронных сигналов, чего никогда не было раньше, и надеется, что технология электродных устройств будет использоваться не только для фундаментальных исследований в области нейробиологии, но и для медицинских приложений, включая технологию BMI. и лечение различных заболеваний головного мозга.