Nejdrobnější mozkový implantát na světě sleduje nervové signály po dobu jednoho roku

Tečka, která čte mozek

Nervový implantát tak malý, že se vejde na zrnko soli, bezdrátově přenášel data o mozkové aktivitě z živých myší po dobu delší než jednoho roku – což je výkon, který by mohl zásadně změnit způsob, jakým vědci studují a léčí neurologické poruchy. Zařízení, známé jako MOTE (mikroskopická optoelektronická bezdrátová elektroda), měří pouhých 300 mikronů na délku a 70 mikronů na šířku. Jak uvádí New Atlas, do jedné čajové lžičky by se jich vešlo více než 4,78 milionu.

Jak to funguje

Na rozdíl od konvenčních mozkových implantátů, které se spoléhají na dráty nebo objemný hardware, MOTE funguje výhradně na světlo. Červené a infračervené laserové paprsky procházejí neškodně mozkovou tkání a napájejí polovodičovou diodu z arsenidu hlinitého a galia, která současně zachycuje energii a vysílá infračervené pulzy nesoucí zakódované nervové signály. Metoda kódování – pulzní polohová modulace – je stejná technika, jaká se používá v satelitní optické komunikaci.

„Klíčovou inovací je použití jediné sloučeninové polovodičové diody pro sběr energie i přenos dat,“ vysvětlil Alyosha Molnar, profesor elektrotechniky a výpočetní techniky na Cornellově univerzitě, který s touto myšlenkou poprvé přišel v roce 2001. Zařízení také obsahuje nízkošumový zesilovač a optický kodér vyrobený ze standardní technologie mikročipů, vše zabalené do objemu menšího než nanolitr.

Rok čistých dat

Vědci implantovali MOTE do barelové kůry myší – oblasti mozku, která zpracovává senzorické vstupy z vousků. Během dvanácti měsíců zařízení zaznamenávalo jak rychlé elektrické výboje z jednotlivých neuronů, tak širší vzorce synaptické aktivity, a to vše, zatímco zvířata zůstávala zdravá a volně se pohybovala.

Na této dlouhověkosti záleží. Tradiční elektrody a optická vlákna dráždí okolní tkáň a spouštějí imunitní reakce, které časem zhoršují kvalitu signálu. Extrémní miniaturizace MOTE tento problém dramaticky snižuje a na rozdíl od přístupů založených na zobrazování vápníku zachycuje elektrická data bez nutnosti genetické modifikace neuronů.

Kompatibilita s MRI a další

Snad nejvýznamnější klinickou výhodou je potenciální kompatibilita implantátu se skenery MRI. Současné kovové implantáty zkreslují obrazy magnetické rezonance a mohou představovat bezpečnostní rizika uvnitř MRI přístrojů. Polovodičové materiály MOTE by mohly umožnit současné elektrické snímání mozku a skenování MRI – kombinace, která je podle Cornell Chronicle „s dnešními implantáty z velké části nemožná.“

Výzkumný tým, který společně vedl Sunwoo Lee z Nanyang Technological University – který technologii vyvinul jako postdoktorandský výzkumník v Molnarově laboratoři – si představuje budoucí aplikace i mimo mozek. Upravené verze by mohly monitorovat aktivitu míchy, integrovat se s umělými lebečními deskami vybavenými optoelektronikou nebo pomáhat vyvíjet terapie pro deprese, demenci a Parkinsonovu chorobu.

Nová škála pro neurovědu

Zjištění, publikovaná v Nature Electronics, přicházejí v klíčovém okamžiku pro rozhraní mozek-počítač. Společnosti jako Neuralink posouvají komerční nervové implantáty vpřed, ale tato zařízení zůstávají mnohem větší a vyžadují chirurgické zavedení elektrodových polí. MOTE naznačuje radikálně odlišnou cestu: senzory neviditelné velikosti, které způsobují minimální narušení a mohly by být nakonec rozmístěny ve velkém počtu po celém mozku.

Výzkum byl podpořen financováním od National Institutes of Health, přičemž výroba probíhala v Cornell NanoScale Facility. Zatímco klinické testy na lidech jsou ještě vzdálené, technologie ukazuje, že budoucnost monitorování mozku nemusí vyžadovat větší zařízení – jen chytřejší a menší.