Kinijos mokslininkai sukūrė naują, minkštą ir tamprų, origamio principu įkvėptą smegenų implantą. Jis sukurtas taip, kad judėtų kartu su smegenimis, o ne išliktų standus, todėl ateityje galėtų iš esmės pakeisti smegenų–kompiuterio sąsajų (BCI) technologijas.
Naujasis implantas sukurtas pasitelkus kirigamio techniką – tai su origami susijęs metodas, kai strategiškai išdėstyti pjūviai ir lenkimai leidžia iš plokščio paviršiaus formuoti sudėtingas trimates struktūras. Šios technikos esmė – imti plokščią lakštą ir tam tikrose vietose atlikti pjūvius, kad tempiant ar lankstant jis virstų 3D forma. Inžinieriams tai ypač patrauklu, nes leidžia plokščioms medžiagoms tamptis, lankstytis ir suktis nelūžtant.
Šiuo metu BCI sistemos, pavyzdžiui, kuriamas „Neuralink“ implantas, naudoja į smegenis įvestas plonytes elektrodų gijas nerviniams signalams registruoti. Tačiau šios struktūros dažnai yra gana standžios, o tai kelia problemų, nes smegenys nuolat juda – tiek dėl širdies plakimo, tiek dėl kvėpavimo.
Mokslininkų teigimu, kuriant smegenų–kompiuterio sąsajas, būtini implantuojami mikroelektrodų masyvai, galintys sąveikauti su daugybe neuronų didelėmis erdvinėmis ir laiko skalėmis. Dėl smegenų judesių tokie implantai ilgainiui linkę slinkti arba šiek tiek atsitraukti, todėl prastėja gaunamų signalų kokybė. Be to, jie gali sukelti uždegiminius procesus ar net audinių pažeidimus, kas akivaizdžiai nėra pageidautina.
Origamio principu įkvėpti smegenų implantai
2024 m. pranešta, kad pirmasis žmogui implantuotas „Neuralink“ įrenginys neteko dalies funkcionalumo, kai dalis jo gijų pasislinko iš pirminės padėties. Šis vadinamasis gijų atsitraukimas laikomas vienu didžiausių dabartinių BCI technologijų „Achilo kulnų“.
Apie prieš ketverius metus mokslininkai pastebėjo, kad lankstūs elektrodai turi realią atsitraukimo riziką dėl smegenų judėjimo. Tai paskatino ieškoti naujų būdų, kaip sumažinti pavojų, kad elektrodai bus „ištraukti“, kai vienas jų galas yra įtvirtintas smegenyse, o kitas – kaukolėje.
Norėdama išspręsti šią problemą, Kinijos mokslų akademijos tyrėjų komanda nusprendė seną japoniško popieriaus lankstymo meną pritaikyti taip, kad BCI elektrodų gijos būtų ne tiesios, o ritės (spiralės) formos.
Spiralės formos čia ypač svarbios: jos gali tamptis ir susispausti, absorbuoti judesius, o ne jiems priešintis, taip mažindamos mechaninę įtampą smegenų audiniuose. Implantavimo metu šis naujas BCI taip pat dedamas ant hidrogelio sluoksnio. Tai dar labiau sumažina trintį, audinių pažeidimus įvedant implantą ir veikia kaip amortizacinis sluoksnis, kompensuojantis smegenų judesius.
Juda kartu su smegenimis
Tyrėjų komanda paaiškina, kad toks dizainas padeda elektrodams tarsi „plūduriuoti“ smegenų paviršiuje, o ne būti standžiai prie jo priklijuotiems. Rezultatai pasirodė įspūdingi.
Išbandžius šį origamio principu sukurtą implantą makakų smegenyse (jų struktūra yra labai artima žmogaus smegenims), naujoji BCI sistema gebėjo vienu metu registruoti daugiau nei 700 žievės neuronų aktyvumą.
Implantas leido padengti palyginti didelį smegenų plotą, užtikrino stabilius įrašus ir fiksavo pastebimai mažesnį poslinkį nei tradiciniai implantų dizainai.
Tai itin svarbu, nes BCI sistemos pritaikomos, pavyzdžiui, siekiant padėti paralyžiuotiems pacientams valdyti robotines galūnes. Jos taip pat gali būti naudojamos kalbai atkurti, neurologiniams sutrikimams gydyti ir, teoriškai, žmogaus pažintinėms funkcijoms stiprinti.
Jeigu sąsaja tarp smegenų ir technologijos juda pernelyg laisvai (prarandamas kontaktas), sukelia uždegimą ar net pažeidžia smegenis, jos ilgalaikis pritaikymas tampa labai ribotas. Todėl kirigamio principais sukurto lanksčiojo implanto idėja gali būti itin reikšmingas žingsnis BCI ateičiai.
Mokslininkų komanda savo darbą aprašė mokslo žurnale „Nature Electronics“, pabrėždama, kad šie lankstūs kirigamio mikroelektrodų masyvai atveria naujas galimybes registruoti neuronų aktyvumą ne tik tyrimuose su gyvūnais, bet ir ateityje – klinikiniame žmonių gydyme.
