E‑tatuaż drukowany na głowie może rejestrować aktywność mózgu

Rejestrowanie tego, co dzieje się w ludzkim mózgu, nie jest prostym zadaniem. Naukowcy mierzą aktywność mózgu za pomocą elektrod umieszczonych na skórze głowy. Ta metoda nazywa się elektroencefalografią (EEG) i może być wykorzystywana do badania pacjentów pod kątem schorzeń neurologicznych, takich jak padaczka, nowotwory lub urazy spowodowane udarem.

Ale ludzkie czaszki różnią się rozmiarem i kształtem, dlatego technicy muszą poświęcić dużo czasu na pomiar i oznaczenie skóry głowy, aby we właściwym miejscu umieścić elektrody, by uzyskać dokładne odczyty. Następnie elektrody muszą być monitorowane co około dwie godziny, ponieważ żel, który pomaga wykrywać sygnały mózgowe wysycha, co wpływa na badanie. Elektrody są podłączone długimi przewodami do maszyny, która rejestruje aktywność mózgu. To wpływa na komfort pacjenta, któremu wykonywane są takie badania, a te mogą trwać nawet kilka godzin.

Wszystko to można uprościć, zastępując zwykłe elektrody, przewody i żele e-tatuażem nadrukowywanym na skórze głowy. Naukowcy z University of Texas w Austin opracowali specjalny tusz, który można wykorzystać do drukowania na skórze głowy tymczasowych e-tatuaży. Takie e-tatuaże mogą spełniać rolę elektrod i oferują wygodniejszy sposób monitorowania aktywności mózgu i diagnozowania schorzeń neurologicznych w porównaniu z tradycyjną metodą EEG. Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Cell Biomaterials".

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

– Nasze innowacje w zakresie projektowania czujników, biokompatybilnego uszu i szybkiego drukowania torują drogę do przyszłej produkcji różnych czujników pod postacią elektronicznych tatuaży na ciele, z szerokim zastosowaniem zarówno w warunkach klinicznych, jak i poza nimi – powiedziała Nanshu Lu z University of Texas w Austin, współautorka publikacji.

Lu i jej zespół są pionierami w opracowywaniu małych czujników, które umieszczane na powierzchni skóry śledzą sygnały pochodzące z organizmu. Technologię tę określają jako elektroniczne tatuaże lub e-tatuaże. Na swoim koncie mają już e-tatuaże mierzące aktywność serca, śledzące prace mięśni i ich zmęczenie, a nawet mierzące składniki potu. Wcześniej e-tatuaże były zwykle drukowane na cienkiej warstwie materiału, który był następnie przyklejany do skóry, ale rozwiązanie to było skuteczne tylko w przypadku obszarów bez włosów.

– Projektowanie materiałów, które są kompatybilne ze owłosioną skórą, było ciągłym wyzwaniem w technologii e-tatuaży — mówi Lu. Zespół rozwiązał ten problem projektując specjalny rodzaj płynnego tuszu wykonanego z przewodzących polimerów. Wykorzystane polimery (poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofen) – w skrócie PEDOT oraz polistyrenosulfonian – w skrócie PSS) są trwałe i nie przeszkadza im owłosiona skóra.

Po naniesieniu i wyschnięciu działają jak czujniki cienkowarstwowe, wychwytując aktywność mózgu. Taki e-tatuaż ma jedynie 30 mikrometrów grubości. Po wykonaniu pomiarów można go po prostu zetrzeć za pomocą wacików nasączonych alkoholem lub zmyć szamponem.

Nowa technologia wykorzystuje robota, który jest cyfrowo zaprogramowany do natryskiwania atramentu wykonanego z przewodzącego tuszu na określone miejsca na skórze głowy. Wcześniej miejsca te są wybierane przez specjalny algorytm. Obecnie trwa to około godziny, ale w przyszłości, usprawniając proces i w pełni go automatyzując, całość może zostać wykonana w 20 minut, jak zapewnia Lu.

W ramach testów naukowcy nanieśli elektroniczne tatuaże na skórę głowy pięciu ochotników. Wszyscy mieli krótkie włosy. Obok swoich czujników dołączyli także konwencjonalne elektrody EEG. Obie metody działały porównywalnie w wykrywaniu fal mózgowych. Jednak po sześciu godzinach żel na konwencjonalnych elektrodach zaczął wysychać, co poskutkowało tym, że ponad jedna trzecia elektrod nie wychwyciła żadnego sygnału, a większość pozostałych elektrod miała mniejszy kontakt ze skórą, co skutkowało mniej dokładnymi danymi. E-tatuaże wykazywały się stabilną pracą przez co najmniej 24 godziny.

Dodatkowo naukowcy zmodyfikowali formułę tuszu i wydrukowali linie e-tatuażu, które biegną do podstawy głowy od elektrod, aby zastąpić przewody używane w standardowym teście EEG. – Ta modyfikacja pozwoliła wydrukowanym przewodom przewodzić sygnały bez wychwytywania nowych sygnałów po drodze – wyjaśnił Ximin He z University of California w Los Angeles, współautor publikacji. Kolejną modyfikacją, którą badacze zamierzają wprowadzić do swojej technologii, jest umieszczenie w e-tatuażach nadajników, aby bezprzewodowo przesyłać dane.

Opracowana przez naukowców technologia ma potencjał, by zmienić nie tylko proces rejestrowania czy monitorowania aktywności mózgu w celach diagnostycznych, ale też do ulepszenia nieinwazyjnych interfejsów mózg-komputer.

Tego typu interfejsy działają poprzez rejestrowanie aktywności mózgu związanej z jakąś funkcją, jak mowa lub ruch, i wykorzystują ją do sterowania urządzeniem zewnętrznym. Ta technologia zwiększa samodzielność i znacznie poprawia jakość życia osobom sparaliżowanym, nie mogącym chociażby sterować komputerem za pomocą myszki czy klawiatury.

– Nasze badanie może potencjalnie zrewolucjonizować sposób projektowania nieinwazyjnych urządzeń interfejsu mózg-komputer – podkreśla José Millán z University of Texas w Austin, współautor publikacji.

Źródło: Cell Press, Live Science