Исследователи из Техасского университета в Остине (США) разработали новый тип электродов для интерфейсов мозг-компьютер на основе полимеров. За счет особого состава новые электроды способны обеспечить более длительную и качественную запись активности головного мозга и послужить эффективной заменой активно использующимся сегодня металлическим электродам. Подробное описание разработки опубликовано в журнале Biosensors and Bioelectronics.
Образец электрода. Credit: The University of Texas at Austin
Регистрация активности головного мозга методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) зарекомендовала себя как вполне эффективный и простой в исполнении способ визуализации работы мозга. Одна из наиболее интересных современных технологий, основным компонентом которой является именно ЭЭГ – это интерфейсы мозг-компьютер (ИМК).
Неинвазивные ИМК на сегодняшний день подтвердили свою значимость и в медицине, и в когнитивных, нейрофизиологических исследованиях, и в спорте и так далее. Критически важным элементом, определяющим долгосрочность и высококачественность работы ИМК, становятся электроды. Использующиеся в большинстве случаев металлические электроды, требующие нанесение геля на кожу головы, имеют свои недостатки: высыхание геля приводит к постепенному снижению импеданса (сопротивления между электродом и кожей головы), ухудшению качества записи электрических сигналов, а частое повторное нанесение геля может дестабилизировать процесс записи. Эффективность работы ИМК со временем снижается, из-за чего его становится очень сложно использовать для длительного мониторинга, который необходим, например, для изучения сна или восстановления после инсульта.
В поисках наиболее качественной альтернативы предлагается использовать электроды из проводящих полимеров в силу их механической гибкости, высокой электропроводности и биосовместимости. Среди всех проводящих полимеров поли(3,4-этилендиокситиофен): поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS) считается одним из наиболее многообещающих кандидатов для биоэлектроники, поскольку он успешно регистрирует электрофизиологические сигналы со значительно более высоким отношением сигнал-шум, чем у металлических электродов.
Именно на основе PEDOT:PSS исследователи из Техасского университета в Остине (США) разработали новый тип электродов, которые обеспечивают длительный и стабильный мониторинг активности головного мозга. Эти электроды оптимизированы для достижения низкого импеданса и долговременной записи при сохранении надлежащего положения относительно кожи. Чтобы преодолеть нехватку воды при неинвазивных записях на коже или скальпе, исследователи включили PEDOT:PSS в гидрогелевую сеть PAMPS с высоким содержанием воды, которая обладает одним из самых высоких значений ионной проводимости. Также авторы разработки добавили к общему составу материала глицерин для повышения водоудерживающей способности смеси и дальнейшего улучшения электропроводности и хлорид лития (LiCl) для значительного улучшения ионной проводимости электрода.
Первичный тест-драйв показал возможность удобного и стабильного ношения электродов в составе ИМК в течение четырех недель без постоянного вмешательства обслуживающего его персонала, поскольку заменять их необходимо каждые несколько часов или даже дней. Это довольно значительное улучшение по сравнению с доступными сегодня металлическими электродами. В области неинвазивных ИМК это также можно считать неким прорывом, поскольку такой тип электродов дает возможность осуществлять реабилитационные процедуры в течение всего дня и в перспективе даже на дому без постоянного присмотра медицинского персонала.
В качестве следующего шага исследователи планируют увеличить продолжительность ношения электрода и расширить спектр видов деятельности, которые может облегчить этот носимый ИМК на основе ЭЭГ. В частности, рассматривается управление инвалидной коляской, передвижение предметов с помощью протезов и многое другое.
Текст: Анна Удоратина
A highly stable electrode with low electrode-skin impedance for wearable brain-computer interface by Ju-Chun Hsieh et al., Biosensors and Bioelectronics. Published December 2022
