Нейропротез из золота и нанопленок вернет подвижность инвалидам

24 октября 2011 года

Американские ученые создали нейропротез из золота и нанопленок, позволяющий соединить несколько нейронов или заблокировать передачу импульсов между ними, не нарушая работу соседних нервных клеток, и использовали его для соединения мускулов ноги лягушки с компьютерным мозгом, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Methods.

Группа ученых под руководством Сэмуэля Лина (Samuel Lin) из Гарвардского университета полагает, что их изобретение может стать основой для разработки устройств, которые вернут подвижность паралитикам и заблокируют поврежденные нейроны у людей, страдающих эпилепсией или хроническими болями.

Энергия и информация во всех созданных человеком электрических и электронных приборах передается с помощью электронов. Именно движение электронов называется электрическим током. Нервные клетки используют ионы металлов - в частности, калия, натрия и кальция - для передачи электрических импульсов. Поэтому, стимулирование нейронов при помощи "несовместимого" с ними электрического тока зачастую наносит вред клетке и создает "ложные" сигналы в соседних нервных окончаниях.

Нервный протез Лина и его коллег состоит из нескольких золотых наноэлектродов и набора специальных мембран, которые пропускают только некоторые виды ионов.

Ключевой элемент этого прибора - нанопленка из мембран - служит своеобразным электрохимическим насосом, который всасывает или выталкивает ионы из пространства между мембраной и телом нервной клетки при пропускании тока сверхмалой силы через жидкость, окружающую нейроны.

Необычно высокая или низкая концентрация ионов калия, натрия или кальция приводит к повышению чувствительности фрагмента нервной клетки, к которой подключен протез. Такой нейрон будет реагировать на самые слабые электрические импульсы, которые не почувствуют его близлежащие "коллеги".

Исследователи проверили свое изобретение, соединив седалищный нерв в ноге американской лягушки-быка (Rana catesbeiana) с электрическим "мозгом". Ученые изменяли концентрацию ионов кальция у окончания нейрона, стимулировали его слабыми импульсами тока и замеряли силу сокращений мускула, к которому был подключен седалищный нерв.

Простое подключение протеза, без предварительной "накачки" насосом, уменьшило минимальную силу тока, на который будет реагировать нерв, примерно на 40%. Минута работы насоса снизила этот потолок еще на 20% - до 2.2 микроампер.

Затем Лин и его коллеги приспособили свой "протез" для блокировки сигнала. Они подключили к середине седалищного нерва из первого эксперимента второе устройство, в котором полярность электродов была изменена на обратную.

"Протез" блокировал сокращение мускулов при силе тока, в один или два раза меньшей по сравнению с обычными электродами. Кроме того, такое устройство меньше вредило мускулам, что подтверждается тем, что они начинали двигаться почти сразу после отключения блокировки.

Убедившись в действенности "протеза", авторы статьи провели аналогичный эксперимент по блокировке с пленками, пропускающими ионы калия и натрия. Как отмечают исследователи, этими ионами значительно сложнее управлять из-за их высокой концентрации в тканях организма - для заметного уменьшения концентрации потребуется высокая сила тока, что ограничивает практическую полезность таких пленок.

С другой стороны, эксперимент показал, что такие "протезы" все же работают - через пять минут после включения насоса сокращение мускулов было полностью заблокировано при силе импульсов, не превышающей 30 микроампер. С другой стороны, восстановление работы нерва требует его "очистки" от ионов калия или натрия в течение нескольких минут, что недопустимо для практического применения таких "протезов".

Ученые полагают, что их технология может послужить основой для создания безопасных нейронных протезов, однако сначала нужно испытать такие устройства на нервных клетках млекопитающих и изучить их работу в составе живых тканей.