Самый маленький в мире беспроводной мозговой имплантат

Три лаборатории, три подхода, одна цель: освободить мозг от проводов

В статьях, опубликованных в период с ноября по декабрь 2025 года, исследовательские группы из Корнеллского университета, Колумбийского/Стэнфордского/Пенсильванского университетов и Массачусетского технологического института (MIT) описали три принципиально разных пути к созданию беспроводных малоинвазивных нейроинтерфейсов. В Корнеллском и Наньянском технологическом университетах исследователи представили MOTE — микромасштабное оптоэлектронное устройство, которое буквально меньше крупицы соли; оно регистрировало нейронные спайки у мышей на протяжении более года. В Колумбийском университете и его клинических партнерах инженеры представили BISC — тонкий как бумага кремниевый имплантат, оснащенный десятками тысяч электродов и беспроводным каналом со скоростью 100 Мбит/с. А в MIT ученые представили «циркулятронику» (circulatronics) — гибриды клеток и электроники, которые могут перемещаться по кровотоку, преодолевать неповрежденный гематоэнцефалический барьер и самостоятельно имплантироваться в целевую область для обеспечения направленной электрической стимуляции. Каждый проект решает свою проблему — размер, пропускную способность или хирургический риск, — и вместе они иллюстрируют разнообразие технических решений при попытке разместить электронику рядом с нейронами.

Экстремальная миниатюризация: MOTE

В ходе лабораторных испытаний устройство помещалось на бочковидную кору мозга мыши или вводилось в нее, надежно регистрируя как спайки отдельных нейронов, так и более широкую синаптическую активность в течение года при минимальном образовании рубцов. Команда применяла атомарно тонкие защитные покрытия в процессе изготовления, чтобы замедлить коррозию в жидкой среде мозга. Ученые отмечают, что материалы устройства могут быть совместимы с МРТ — это важное практическое преимущество для будущей клинической работы. Статья о MOTE была опубликована в журнале Nature Electronics; она значима тем, что демонстрирует возможность длительной беспроводной записи на масштабах, которые ранее считались недостижимыми.

Высокоскоростные тонкие корковые чипы: платформа BISC

Одночиповая конструкция BISC содержит 65 536 электродов, 1 024 канала записи и более 16 000 каналов стимуляции, а также встроенные радиомодули и систему управления питанием. В опубликованных тестах система продемонстрировала работу релейной станции, которая связывает имплантат с внешними компьютерами через сверхширокополосный радиоканал со скоростью около 100 Мбит/с — это на несколько порядков выше пропускной способности большинства современных беспроводных интерфейсов «мозг-компьютер» (ИМК). Именно такая пропускная способность делает BISC привлекательным для клинического нейропротезирования и связывания активности популяций нейронов коры с декодерами на базе машинного обучения. Имплантат был изготовлен с использованием стандартных процессов полупроводникового производства; команда уже начала краткосрочные интраоперационные исследования на людях и создала стартап для коммерциализации устройства.

Нехирургическая доставка: «циркулятроника» MIT

Исследователи протестировали систему circulatronics на мышах и продемонстрировали адресную доставку в воспаленные области мозга и локальную стимуляцию с микронной точностью, избегая при этом повреждения тканей и иммунной атаки, которые характерны для более крупных имплантатов. Работа была опубликована в Nature Biotechnology и намечает возможный нехирургический путь к миллионам микроскопических точек стимуляции, что имеет очевидные перспективы для лечения очаговых воспалений, глиобластомы или диффузных поражений, труднодоступных для хирургического вмешательства.

Питание, связь и иммунная система: компромиссы, определяющие развитие отрасли

При сравнении трех платформ различия сводятся к нескольким ключевым инженерным компромиссам. В дизайне доминируют вопросы питания и телеметрии: MOTE использует передаваемый свет как для получения энергии, так и для обратной оптической передачи сигналов, что позволяет достичь крошечных размеров ценой ограниченной скорости передачи данных и глубины проникновения. BISC использует встроенные радиомодули и внешний ретранслятор для достижения очень высокой пропускной способности и интегрированной стимуляции, но требует размещения в субдуральном пространстве и наличия носимого реле. Circulatronics полностью исключает необходимость хирургического вмешательства, используя клетки для транспортировки электроники, но это требует тщательной биологической инженерии для контроля того, куда направляются устройства и как они ведут себя после прибытия.

Биосовместимость — еще один важный аспект. Жидкости мозга вызывают коррозию электроники и провоцируют иммунный ответ; команды используют разные контрмеры: атомно-слоевые защитные покрытия для MOTE, гибкие конформные подложки для BISC и маскировку живыми клетками для circulatronics. Каждая стратегия несет в себе новые неопределенности: риск потери контроля над крошечными устройствами, долгосрочная судьба инъецированных гибридов или неожиданные взаимодействия с методами визуализации и другими медицинскими приборами.

Пути к клиническому применению, коммерциализация и регуляторные барьеры

Все три проекта носят ярко выраженный трансляционный характер, но сталкиваются с различными регуляторными и коммерческими проблемами. Использование в BISC устоявшихся полупроводниковых производств и метод субдуральной хирургической вставки естественным образом вписываются в существующие правила регулирования имплантатов и нейрохирургические протоколы, что способствует продвижению к клиническим испытаниям. Проект MOTE из Корнелла находится значительно дальше от применения на людях: хронические записи на мышах обнадеживают, но масштабирование оптического питания и сбора данных через толщину человеческого черепа остается техническим препятствием. Концепция circulatronics от MIT является самой революционной с клинической точки зрения — отказ от краниотомии в пользу инъекционного пути, — но она же привлечет и наибольшее внимание регуляторов, поскольку устройства намеренно преодолевают гематоэнцефалический барьер и используют живые клетки в качестве транспорта.

Коммерческая деятельность уже ведется: исследователи из Колумбийского и Стэнфордского университетов запустили компанию по производству исследовательских наборов BISC, а команда MIT планирует перейти к испытаниям через стартап. Источники финансирования включают Национальные институты здравоохранения США (NIH) и, в ряде случаев, программы оборонного ведомства, которые давно поддерживают высокорискованные проекты в области нейроинженерии. Такое сочетание ускоряет исследования, но вновь поднимает вопросы о технологиях двойного назначения и управлении мощными технологиями «мозг-компьютер».

Этика, безопасность и что на самом деле означает «беспроводной» для разума

По мере того как имплантаты становятся меньше, а беспроводные каналы — быстрее, этические проблемы смещаются от хирургических рисков к вопросам конфиденциальности, владения данными и контроля. Высокоскоростные устройства, такие как BISC, открывают возможности для записи, декодирования и стимуляции с высоким временным и пространственным разрешением — эти способности порождают сложные вопросы о том, кто может иметь доступ к нейронным данным, как они хранятся и анализируются, и как предотвратить нежелательное вмешательство. Миниатюрные имплантаты, такие как MOTE или самодоставляющаяся «циркулятроника», бросают вызов нормативно-правовой базе, которая исходит из того, что устройства можно физически отследить и удалить. Исследователи и врачи подчеркивают терапевтические цели — контроль эпилепсии, восстановление после паралича, возвращение зрения, — но инженеры и этики уже призывают к параллельной работе над стандартами безопасности, информированного согласия и долгосрочного наблюдения.

Многогранное будущее нейроинтерфейсов

На основе этих работ вырисовывается не один победитель, а целый набор инструментов. Для некоторых приложений — управления высокопроизводительными протезами или картирования коры исследовательского уровня — наиболее перспективными выглядят высокоскоростные чипы на цельной пластине, такие как BISC. Для малоинвазивного мониторинга или взаимодействия с органоидами и небольшими нейронными структурами оптические микроустройства типа MOTE могут открыть возможности для экспериментов, которые ранее были невозможны. А для терапевтической нейромодуляции в случаях, когда операция нецелесообразна, «циркулятроника» с клеточной доставкой намекает на радикальную альтернативу.

Эти возможности впечатляют, но превращение их в безопасные и доступные клинические технологии потребует многих лет инженерной работы, длительных исследований на животных и людях, нормативного регулирования и общественного диалога о допустимых способах использования. Таким образом, ближайшее будущее мозговых имплантатов — это не одно миниатюрное чудо, а расширяющийся набор компромиссов, которые клиницистам, регуляторам и обществу придется тщательно взвешивать.

Источники

• Nature Electronics (научные статьи о MOTE и BISC)
• Nature Biotechnology (научная статья о circulatronics)
• Cornell University (лаборатория Молнара, Cornell NanoScale Facility)
• Columbia University School of Engineering and Applied Science (коллаборация BISC)
• MIT Media Lab / Nano‑Cybernetic Biotrek Lab (исследования в области circulatronics)
• Программа DARPA Neural Engineering System Design