Усовершенствованный магнитрод на основе TMR для записи магнитных полей ЛПФ in vivo

Слушая мозг, не касаясь его искр

Наш мозг каждую секунду наполнен крошечными электрическими бурями, и умение читать эти бури может обеспечить работу будущих интерфейсов «мозг‑компьютер», которые помогут людям двигаться, общаться или даже играть, используя только мысль. В этом исследовании представлен новый способ подслушивания активности мозга — не измеряя электричество напрямую, а фиксируя слабые магнитные поля, которые создают клетки мозга, с помощью тончайшего прибора, называемого магнитродом.

Новый тип крошечного зонда для мозга

Исследователи создали миниатюрный зонд на основе туннельного магнитосопротивления — технологии, изначально разработанной для продвинутых магнитных сенсоров. Активный наконечник их прибора имеет всего десятки микрометров в поперечнике, что делает его достаточно маленьким для имплантации в мозг с минимальным повреждением. В отличие от традиционного электрода, регистрирующего напряжение, этот магнитрод реагирует на крошечные магнитные поля, возникающие, когда группы нейронов в соседней области одновременно активируются. Эти сложенные сигналы, называемые локальными поле­выми потенциалами, отражают координацию сетей клеток мозга при движении, памяти и при заболеваниях. Команда тщательным образом сформировала и взаимосвязала элементы сенсора, чтобы сохранить чувствительность зонда и одновременно уменьшить нежелательную магнитную инерционность, позволяющую ему следовать и за медленными, и за быстрыми изменениями мозговой активности.

Фиксация самых слабых сигналов мозга

Поскольку магнитные поля нейронов чрезвычайно слабы, сенсор должен быть достаточно тихим, чтобы выделить их на фоне электронного шума. Авторы измерили величину случайных флуктуаций, которые прибор производит при разных частотах и режимах электрического возбуждения. Они обнаружили, что низкочастотный «1/ƒ» шум доминирует в диапазоне, где находятся многие мозговые ритмы. Снизив ток смещения, питающий прибор, и перейдя от постоянного к высокочастотному переменному приводу, они показали, что этот проблемный шум можно существенно подавить. Полученные пределы обнаружения — всего несколько нанотесла при частоте один цикл в секунду и ещё меньше на более высоких частотах — выгодно сравниваются с предыдущими имплантируемыми магнитными зондами и с гораздо более громоздкими приборами для измерения магнитных полей, которые нельзя имплантировать.

Тестирование на искусственных и реальных мозговых сигналах

Чтобы проверить, может ли их зонд достоверно отслеживать локальные полевые потенциалы, команда сначала создала контролируемый тест в лаборатории. Тонкая медная проволока, управляемая специализированным генератором нейронных сигналов, имитировала согласованные токи небольшой группы нейронов. Магнитрод располагался близко к этой проволоке внутри экранированного контейнера, а его выход усиливался, фильтровался и затем математически реконструировался. После обработки магнитный сигнал хорошо соответствовал эталонной форме локального полевого потенциала, показав, что сенсор и его электроника способны восстановить форму и временные характеристики этих медленных мозговых ритмов.

Слушая внутри живого мозга

Самый важный тест провели на живых крысах. Исследователи аккуратно имплантировали магнитрод и стандартный микроэлектрод на расстоянии менее одной десятой миллиметра друг от друга в гиппокамп — глубокую область мозга, вовлечённую в память. Поскольку оба устройства снимали активность почти одного и того же скопления нейронов, электрические и магнитные записи можно было напрямую сравнить. В нескольких отрезках по сотням секунд команда проанализировала мощность разных полос частот в обоих сигналах. Магнитные и электрические спектры возрастали и падали синхронно в ключевых мозговых ритмах, особенно в тета‑ и бета‑диапазонах, а статистическая мера сходства оставалась высокой и стабильной. Для сравнения, записи, сделанные магнитродом до имплантации, когда он улавливал лишь фоновый шум, показали значительно худшее согласование с электрическими сигналами, что подтверждает: магнитные следы в мозге действительно отражают нейронную активность.

Разработан, чтобы выдерживать условия мозга

Любой имплантат должен оставаться стабильным в тёплой, солёной среде цереброспинальной жидкости. Для проверки устойчивости магнитроды выдерживали в искусственной цереброспинальной жидкости при температуре тела в течение недели. Команда многократно измеряла, насколько сильно устройство реагирует на тестовые магнитные поля и как изменяется его сопротивление. И чувствительность, и сила сигнала дрейфовали менее чем на несколько процентов, что говорит о том, что защитные слои вокруг сенсора эффективно предотвращают коррозию и что зонд может обеспечивать надёжные показания в течение временных интервалов, необходимых для типичных экспериментов.

Что это значит для будущих интерфейсов мозга

Эта работа показывает, что крошечный имплантируемый магнитный сенсор может отслеживать те же мозговые ритмы, что и стандартные электроды, при этом используя преимущество того, что магнитные поля чище проходят через ткань. Для неспециалистов ключевая идея такова: активность мозга можно контролировать не только через прикосновение к его электрическим зарядам, но и «ощущая» их магнитные эхо. Разработанный здесь магнитрод компактен, чувствителен и достаточно стабилен, чтобы выступать в роли нового типа «слушающего» устройства для мозга, потенциально расширяя инструменты для интерфейсов мозг‑компьютер и для изучения расстройств, связанных с нарушениями нейронных ритмов.

Цитирование: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

Ключевые слова: регистрация магнитного поля мозга, локальные полевые потенциалы, туннельное магнитосопротивление, нейронные интерфейсы, интерфейс мозг‑компьютер