Нерв-на-чипе
Швейцарские исследователи из федеральной политехнической школы Лозанны, работающие под руководством профессора Стефани Лакур (Stéphanie Lacour), разработали миниатюрную электронную платформу (чип) для стимуляции периферических нервных волокон и регистрации испускаемых ими электрических импульсов. Обеспечивающая быструю модуляцию и регистрацию активности нервов с высоким показателем отношения сигнал/шум платформа открывает новые перспективы использования микрочипов для улучшения результатов нейропротезирования.
Нейропротезы – имплантаты, оснащенные многоконтактными электродами, – могут брать на себя определенные функции поврежденных нервов. Специалисты надеются, что со временем их использование позволит восстанавливать осязание у пациентов с ампутированными конечностями, возвращать парализованным пациентам способность ходить путем стимуляции спинного мозга, а также подавлять избыточную активность нервов у людей, страдающих от хронического болевого синдрома. Стимуляция нервов в нужном месте и в нужное время одновременно является залогом эффективности терапии и исключительно сложной задачей из-за неспособности имплантатов точно регистрировать нервную активность. По словам авторов, мозг человека испускает и получает миллионы нервных импульсов, тогда как пациенту обычно имплантируют всего лишь около десятка электродов, которых недостаточно для воспроизведения сложных моделей обмена информацией в нервной системе.
Авторы разработали платформу типа «нерв-на-чипе», позволяющую стимулировать эксплантированные нервные волокна и регистрировать испускаемые ими импульсы так, как это может делать нейропротез. Для этого электроды и эксплантированные нервные волокна размещают внутри микроканалов, точно воспроизводящих архитектуру, зрелость и функционирование живой ткани.
Функциональность платформы протестировали на нервных волокнах, эксплантированных из спинного мозга крыс, к которым применяли разные стратегии стимуляции и ингибирования нервной активности. Обычно лабораторные эксперименты проводят на культурах нейронов, которые не позволяют воспроизводить разнообразие нервных клеток в живой ткани и, соответственно, ее свойства. Более того, традиционно используемые внеклеточные комплексы микроэлектродов не позволяют регистрировать активность индивидуальных нервных клеток в культуре.
Созданная авторами платформа «нерв-на-чипе» изготавливается в условиях «чистой комнаты» в течение двух дней и позволяет регистрировать сотни нервных импульсов с высоким значением соотношения сигнал/шум. Однако наиболее важным ее свойством является ее способность регистрировать активность отдельных нервных клеток.
Исследователи использовали свою платформу для проверки эффективности фототермического метода ингибирования активности нейронов. (Подавление активности нейронов можно использовать в качестве терапии хронических болевых синдромов, например, невропатических болей и так называемых фантомных болей в ампутированных конечностях.)
Для этого на определенные электроды чипа нанесли слой фототермического полупроводникового полимера P3HT:PCBM, разогревающегося под действием света. Чувствительность электродов позволила измерить разницу между уровнями активности разных эксплантированных нервных волокон. Было установлено, что нагревание преимущественно блокирует активность наиболее тонких нервных волокон, сформированных чувствительными нейронами или ноцицепторами – болевыми рецепторами, вызывающими боль. На следующем этапе работы авторы планируют изучить описанный ингибирующий эффект в экспериментах на животных, для этого вокруг нервного волокна будут размещать имплантат, содержащий нагревающийся полимер.
Помимо этого новую платформу использовали для усовершенствования геометрии и размещения записывающих электродов для последующей разработки имплантата, способствующего регенерации периферических нервов. Обработка информации о регистрируемых нервных импульсах с помощью специального алгоритма позволит вычислять скорость и направление распространения нервных импульсов и таким образом определять, каким нервом они испускаются: чувствительным или двигательным. Это позволит инженерам разработать имплантаты двустороннего действия для улучшения контроля над протезами конечностей.
Статья Sandra Gribi et al. A microfabricated nerve-on-a-chip platform for rapid assessment of neural conduction in explanted peripheral nerve fibers опубликована в журнале Nature Communications.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам École polytechnique fédérale de Lausanne: Nerve-on-a-chip platform makes neuroprosthetics more effective.