Будущее мониторинга активности мозга может выглядеть как прядь волос
Будущее мониторинга электроэнцефалографии (ЭЭГ) вскоре может выглядеть как прядь волос. Вместо традиционных металлических электродов, паутины проводов и липких клеев группа исследователей из Университета штата Пенсильвания создала похожее на волос устройство для долгосрочного неинвазивного мониторинга электрической активности мозга. Легкий и гибкий электрод крепится непосредственно к коже головы и обеспечивает стабильную высококачественную запись сигналов мозга.
ЭЭГ имеет решающее значение для диагностики и оценки неврологических состояний, таких как эпилепсия и травмы головного мозга. В некоторых случаях врачам необходимо отслеживать мозговые волны в течение более длительных периодов времени, например, для оценки судорог, нарушений сна и состояний, которые влияют на кровеносные сосуды и кровоток в мозге.
Исследователи описали новые электроды, которые, как было показано, сохраняют стабильную производительность в течение более 24 часов непрерывного ношения, в исследовании, опубликованном в журнале npj Biomedical Innovations . По словам исследователей, эта технология имеет перспективы для использования в потребительских товарах для здоровья и благополучия, а также в клинических приложениях в области здравоохранения.
«Этот электрод обеспечивает более последовательный и надежный мониторинг сигналов ЭЭГ, и его можно носить незаметно, что повышает как функциональность, так и комфорт для пациента», — сказал Тао Чжоу, профессор инженерных наук и механики в Wormley Family и старший автор статьи.
Мониторинг ЭЭГ — широко используемый метод измерения электрической активности мозга , объяснил Чжоу. Маленькие металлические электроды помещаются на кожу головы и улавливают слабые электрические импульсы, генерируемые клетками мозга. Электроды прикреплены к проводам, которые затем подключаются к машине, которая отображает активность мозга в виде узоров, похожих на волны.
Однако традиционный процесс мониторинга ЭЭГ может быть обременительным — а иногда и грязным — делом. Его ограничения затрудняют его использование для непрерывного, долгосрочного мониторинга.
Чтобы получить хорошую запись активности мозга, электроды должны соответствовать коже головы. Любые зазоры между электродом и кожей или густыми волосами могут ухудшить качество записанного сигнала. Исследователи и врачи должны наносить гели на кожу головы, чтобы поддерживать хороший контакт поверхности к поверхности между электродами и кожей и качество сигнала. Однако у некоторых людей гели могут вызывать раздражение кожи.
Сравнение волосовидного электрода слева и человеческого волоса. Кредит: Zhou Lab / Penn State. Creative Commons
Это трудоемкий процесс, который необходимо повторять, когда гели высыхают, особенно если кто-то нуждается в постоянном наблюдении или в течение нескольких сеансов. Процесс нанесения и повторного нанесения также неточен и может привести к разному количеству геля, используемого на электродах.
«Это изменит импеданс — или интерфейс — между электродами и кожей головы, и это может повлиять на регистрируемый мозговой сигнал», — сказал Чжоу. «Мы также не всегда размещаем электроды в одном и том же положении, потому что мы люди. Но если вы измените положение, даже немного, мозговые сигналы, которые вы отслеживаете, могут быть другими».
Обычные электроды ЭЭГ также жесткие и могут смещаться, когда человек поворачивает голову, даже незначительно, что может нарушить однородность данных.
Чтобы устранить эти ограничения, исследовательская группа разработала небольшое устройство мониторинга, которое выглядит как прядь волос и изготовлено из гидрогелевого материала, напечатанного на 3D-принтере. Один конец — электрод. Он выглядит как маленькая точка и улавливает электрические сигналы мозга с кожи головы. От электрода отходит длинный тонкий проводоподобный компонент, который подключается к системе мониторинга.
Устройство также использует биоадгезивные чернила, которые можно напечатать на 3D-принтере, что позволяет электроду приклеиваться непосредственно к коже головы без необходимости использования липких гелей или другой подготовки кожи. Это минимизирует зазор между электродом и кожей головы, улучшая качество сигнала. Легкость, гибкость и эластичность устройства также означает, что устройство остается на месте — даже при расчесывании волос и надевании и снятии бейсболки — и его можно носить в течение более длительного времени, что делает его пригодным для хронического мониторинга.
Команда обнаружила, что новое устройство работает сопоставимо с золотыми электродами, которые в настоящее время являются стандартными электродами, используемыми для ЭЭГ. Однако волосовидный электрод поддерживал лучший контакт между электродом и кожей и надежно работал в течение более 24 часов непрерывного ношения без какого-либо ухудшения качества сигнала. Поскольку электроды не нужно снимать и заменять, как традиционные системы мониторинга ЭЭГ, они устраняют риск противоречивых данных, даже между различными сеансами мониторинга.
«Вам не нужно беспокоиться об изменении положения электрода или об изменении импеданса, поскольку электроды не сдвинулись», — сказал Чжоу.
Печать волосовидных электродов и характеристика их стабильности, электрических и механических свойств. Кредит: npj Biomedical Innovations (2025). DOI: 10.1038/s44385-025-00009-x
В отличие от традиционных металлических электродов, новые электроды имитируют человеческие волосы и незаметны на голове. Поскольку устройство напечатано на 3D-принтере, Чжоу объяснил, что они могут печатать электроды разных цветов, чтобы они соответствовали цвету волос человека.
«Это делает его незаметным, и людям может быть более комфортно его носить, особенно если им требуется непрерывный мониторинг ЭЭГ и необходимо носить электроды в течение длительного периода времени», — сказал Чжоу.
В настоящее время ЭЭГ все еще проводная; пациенты должны быть подключены к машине, пока регистрируется их мозговая активность. В будущем исследователи надеются сделать систему беспроводной, чтобы люди могли более свободно перемещаться во время сеансов записи.
Другими авторами статьи из Университета штата Пенсильвания являются ведущие авторы Салахуддин Ахмед и Марзия Момин, оба аспиранты кафедры инженерных наук и механики. В подготовке статьи также приняли участие Цзяшу Рен, аспирант кафедры инженерных наук и механики; Хёнджин Ли, аспирант кафедры биомедицинской инженерии; Ли-Пан Хуан, научный сотрудник; и Басма Аль-Махмуд, студентка бакалавриата кафедры физики.
Другими авторами являются Чи-Чинг Куо, Арчана Пандиян и Логанатан Вирамуту с кафедры молекулярной науки и инженерии Национального технологического университета Тайбэя.