Исследователи из Корнеллского университета разработали сверхлегкое беспроводное устройство для отслеживания активности мозга животных в дикой природе

Биоинженеры и нейробиологи из Корнеллского университета (Cornell University) разработали ультраминиатюрное беспроводное устройство для записи активности головного мозга, предназначенное для мониторинга нейронной активности животных во время свободного перемещения в естественных условиях. По данным TOI Science Desk, система весит меньше стандартной десятицентовой монеты США (дайма), официальная масса которой составляет 2,268 грамма. Благодаря отказу от громоздких аккумуляторов, толстых волоконно-оптических жгутов и проводного подключения подопытных животных к регистрирующим консолям, эта технология позволяет исследователям наблюдать за тем, как животные ориентируются в пространстве, общаются и взаимодействуют друг с другом без каких-либо механических помех.

## Основные факты

- Устройство разработано исследователями из Корнеллского университета (Cornell University) в Итаке, штат Нью-Йорк. - Масса устройства меньше десятицентовой монеты США, что составляет менее 2,268 грамма. - Работает на основе маломощной беспроводной телеметрии, передавая нейронные данные в режиме реального времени. - Обеспечивает полную свободу физических перемещений, включая навигацию, социальное взаимодействие и коммуникацию. - Преодолевает ограничения по весу, которые ранее затрудняли беспроводную запись нейронной активности у мелких лабораторных животных.

## Что произошло

Как сообщает TOI Science Desk, команда из Корнеллского университета создала полностью интегрированный легкий блок нейротелеметрии, способный регистрировать сложные электрические сигналы мозга, будучи закрепленным на свободно перемещающемся животном. Традиционные нейрофизиологические эксперименты часто требуют привязки животных к стационарному оборудованию с помощью коаксиальных или оптоволоконных кабелей либо использования тяжелых головных модулей (headstages), меняющих их естественную походку и осанку.

Новое устройство объединяет усиление сигнала, оцифровывающие микросхемы и систему беспроводной передачи на микроскопической печатной плате, работающей от минимального источника энергии. Благодаря уменьшению габаритов и массы конструкции до менее чем двух граммов устройство можно устанавливать на мелких лабораторных или диких животных, не превышая физиологически допустимую нагрузку. Это позволяет исследователям непрерывно передавать нейронные данные по высокочастотным беспроводным каналам, пока подопытные животные передвигаются, добывают пищу, общаются или проявляют социальное поведение в сложных условиях окружающей среды.

## Почему это важно

Понимание неврологических основ сложного поведения требует наблюдения за животными в условиях, когда их действия ничем не ограничены. На протяжении десятилетий электрофизиологи сталкивались с фундаментальным компромиссом: высокоточные нейронные данные можно было получить только от неподвижных или зафиксированных животных либо от особей, вынужденных тянуть за собой тяжелые кабели, ограничивавшие их естественные движения. Такая искусственная среда может изменять уровень стресса, паттерны локомоции и цепи нейронных импульсов, потенциально искажая научные наблюдения за пространственной ориентацией, исполнительными функциями и социальным взаимодействием.

Снизив вес устройства ниже порога в 2,268 грамма (масса десятицентовой монеты США), разработка ученых Корнелла открывает новые исследовательские возможности для моделей на мелких животных. Лабораторные мыши (*Mus musculus*), масса которых обычно составляет от 18 до 30 граммов, могут носить этот головной модуль без превышения стандартных ветеринарных норм по допустимой нагрузке. Сверхлегкий беспроводной мониторинг также позволяет исследователям изучать виды, чье поведение невозможно воспроизвести в лабораторных условиях с проводным подключением, — например, певчих птиц в полете, летучих мышей при трехмерной навигации или грызунов, передвигающихся по сложным подземным норам.

Помимо фундаментальных биологических исследований, инженерные принципы, лежащие в основе субграммовой беспроводной телеметрии, имеют прямое применение в биомедицинской инженерии человека. Маломощные и ультралегкие нейроинтерфейсы необходимы для разработки нейрокомпьютерных интерфейсов (BCI) нового поколения, беспроводной медицинской диагностики и передовой нейропротезировки, требующих минимального энергопотребления и незначительного тепловыделения.

## Контекст

Электрофизиология существенно развилась с середины XX века, когда ученые впервые зарегистрировали отдельные потенциалы действия ткани головного мозга с помощью тонких металлических микроэлектродов. Ранние исследования требовали фиксации лабораторных животных в стереотаксических установках, чтобы артефакты движения не искажали слабые электрические сигналы.

В 1971 году нейробиолог Джон О’Киф (John O'Keefe) открыл нейроны места в гиппокампе грызунов с использованием ранних методик записи через гибкие провода. За эту работу в 2014 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине совместно с Май-Бритт Мозер (May-Britt Moser) и Эдвардом Мозером (Edvard Moser), открывшими в 2005 году нейроны решетки (grid-нейроны). Эти фундаментальные представления о том, как мозг формирует пространственные карты, опирались на использование проводных кабелей, подключенных к вращающимся коммутаторам, подвешенным над аренами для исследований. Однако проводные установки фундаментально ограничены крутящим моментом, трением и запутыванием кабелей, что ограничивает эксперименты плоскими открытыми аренами.

В последние десятилетия твердотельная электроника и микроэлектромеханические системы (МЭМС/MEMS) позволили создать кремниевые нейронные зонды, такие как технология Neuropixels, представленная в 2017 году. Хотя эти зонды кардинально увеличили количество одновременно регистрируемых каналов мозга — с десятков до сотен и тысяч, — они по-прежнему сильно зависели от физических кабелей передачи данных или тяжелых головных модулей для обработки сигналов и питания. Институциональные комитеты по уходу и использованию животных (IACUC) в ведущих исследовательских учреждениях обычно требуют, чтобы закрепляемые на голове экспериментальные устройства не превышали от 5% до 10% от общей массы тела подопытного животного во избежание нагрузки на шею, изменения биомеханики или хронического стресса. В связи с этим осуществление беспроводной записи нейронной активности весом менее двух граммов оставалось одной из главных целей нейроинженерии.

## Реакция

Хотя официальные публичные заявления сторонних научных организаций не вошли в первоначальный материал TOI Science Desk, ожидается, что разработка привлечет значительное внимание мирового сообщества нейробиологических, биоинженерных и этических исследований.

Ожидается, что нейробиологи, специализирующиеся на этологии — изучении естественного поведения животных, — оценят работу устройства в различных условиях окружающей среды, таких как полевые участки с высокой влажностью или подземные норы. Защитники прав лабораторных животных и институциональные контролирующие комитеты, вероятно, приветствуют снижение физической нагрузки на подопытных особей, поскольку более легкое оборудование уменьшает физический стресс и снижает риск механических травм, связанных с зацеплением кабелей.

Ожидается также, что коммерческие компании в сфере нейротехнологий и инициативы по разработке открытого оборудования для нейронаук изучат архитектуру системы, чтобы выяснить, можно ли интегрировать ее маломощные протоколы беспроводной передачи в существующие исследовательские процессы или масштабировать их для нейротехнологий человека.

## Что пока неизвестно

Несколько ключевых технических деталей остаются неподтвержденными в первоначальном репортаже TOI Science Desk. Точное количество каналов — то есть число отдельных клеток мозга или локальных потенциалов поля, которые устройство может отслеживать одновременно, — не уточняется. Системы с высокой плотностью каналов обычно требуют большей вычислительной мощности и пропускной способности передачи, что создает инженерный компромисс между разрешением данных и массой батареи.

Кроме того, время автономной работы от батареи и дальность непрерывной беспроводной связи устройства остаются неизвестными. На данный момент неясно, использует ли устройство миниатюрные первичные батареи, перезаряжаемые микроконденсаторы или непрерывную беспроводную передачу энергии посредством сбора радиочастотного (РЧ) излучения. Конкретные виды животных, использованные для тестирования системы во время первичных испытаний, а также вопрос о том, будет ли оборудование выпущено как академический инструмент с открытым исходным кодом или коммерциализировано через частное предприятие, также пока не раскрываются.

## За чем следить

Ближайшим следующим шагом для исследовательской группы из Корнелла станет публикация полной методологии и эмпирических данных валидации в рецензируемом научном журнале. Исследователи и отраслевые обозреватели будут следить за этими предстоящими публикациями в поисках подробных показателей соотношения сигнал/шум, рассеивания мощности, профилей термической безопасности и долгосрочной стабильности сигнала при хронической имплантации.

Стоит следить за последующими исследованиями, демонстрирующими применение технологии в нестандартных экспериментальных условиях, таких как вольеры для социального взаимодействия нескольких животных, сложные трехмерные лабиринты или полевые станции на открытом воздухе. Другие исследовательские институты также могут попытаться адаптировать эту технологию к смежным экспериментальным инструментам, например, объединив беспроводную электрофизиологию с безволоконной оптогенетикой или миниатюрными наголовными камерами (минископами).

*Этот материал основан на оригинальном новостном репортаже TOI Science Desk.*