Mi az a neurális por és hogyan olvassa ki az agyad?

Egy sókristálynál is kisebb szenzor

Képzeljünk el egy olyan apró eszközt, amely elfér egy sókristályon, mégis elég erős ahhoz, hogy lehallgassa az egyes neuronok elektromos zsongását. Ez a neurális por – egy ultrakicsi, vezeték nélküli szenzorok osztálya, amelyet arra terveztek, hogy a testbe ültetve valós időben monitorozza vagy stimulálja az idegi aktivitást. A Kaliforniai Egyetem (Berkeley) kutatói által 2013-ban először felvetett neurális por célja, hogy megoldja az idegtudomány egyik legrégebbi fejfájását: hogyan hallgassuk az agyat anélkül, hogy terjedelmes vezetékekhez kötnénk, amelyek idővel elhasználódnak.

Hogyan működik a neurális por?

Minden egyes neurális por „szemcse” mindössze három fő összetevőt tartalmaz: egy pár elektródát, amelyek érzékelik a közeli neuronok elektromos jeleit, egy tranzisztort, amely felerősíti ezeket a jeleket, és egy piezoelektromos kristályt, amely az energiaellátást és a kommunikációt is kezeli.

A rendszer a rádióhullámok helyett ultrahangra támaszkodik. Egy külső lekérdező, amelyet közvetlenül a koponya alá helyeznek, ultrahangimpulzusokat küld az implantált szemcse felé. A piezoelektromos kristály az impulzusok mechanikai rezgését elektromossággá alakítja, így az eszköz akkumulátor nélkül működik. Amikor egy ideg tüzel, a keletkező feszültségváltozás modulálja a tranzisztort, ami viszont megváltoztatja a kristály rezgését. A visszavert ultrahangimpulzus az idegi jel lenyomatát hordozza vissza a lekérdezőhöz, amely dekódolja azt.

Az ultrahang kulcsfontosságú előnyt kínál a rádiófrekvenciás megközelítésekkel szemben: sokkal kevésbé csillapodik, amikor áthalad a szöveten. Ez lehetővé teszi a szemcsék mélyebbre történő beültetését a testbe, miközben továbbra is megbízhatóan kommunikálnak, és a környező szövetek energiaelnyelését is biztonságos határokon belül tartja.

Mekkora lehet a méretük?

Az eredeti Berkeley prototípusok körülbelül egy milliméter átmérőjűek voltak. Azóta a Cornell Egyetem mérnökei drámaian kitolták a határokat a MOTE (mikroméretű optoelektronikus, vezeték nélküli elektróda) nevű eszközzel – amely körülbelül 300 mikron hosszú és 70 mikron széles. Az ultrahang helyett a MOTE-t infravörös lézerfény táplálja, amely ártalmatlanul áthalad az agyszöveten. Kifelé impulzus-pozíció modulációval kommunikál, ugyanazzal a kódolási sémával, amelyet a műholdas optikai kapcsolatokban használnak, így a fogyasztás elenyészően alacsony marad. Állatkísérletekben egyetlen MOTE több mint egy évig vezeték nélkül továbbította az agyi aktivitási adatokat.

Miért fontos ez az orvostudomány számára?

A jelenlegi agy-számítógép interfészek, mint például a Utah-tömb, a koponyát átszúró vezetékkötegeket igényelnek, amelyek hajlamosak a hegszövet felhalmozódására, a jel romlására és a fertőzésveszélyre. A neurális por és leszármazottai vezeték nélküli, minimálisan invazív alternatívát ígérnek számos potenciális alkalmazással:

• Epilepszia: A neurális tüzelési minták folyamatos, valós idejű monitorozása képes lehet észlelni a rohamot megelőző elektromos jeleket, lehetővé téve a célzott stimulációt a tünetek megjelenése előtt.
• Bénulás: A vezeték nélküli szemcsék tömbjei nagy sávszélességű agy-számítógép interfészeket hozhatnak létre, amelyek a beteg szándékolt mozgásait robotkarok vagy exoskeletok parancsaivá fordítják le – külső kábelek nélkül.
• Krónikus fájdalom: A StimDust nevű kapcsolódó eszköz, amelyet rágcsáló modelleken teszteltek a UC Berkeley-n, kimutatta, hogy a neurális por nemcsak jeleket képes rögzíteni, hanem precíz elektromos stimulációt is képes adni a perifériás idegeknek, utat nyitva a „elektroceutikumok” felé, amelyek gyógyszerek nélkül kezelik a fájdalmat.
• MRI kompatibilitás: A MOTE nem fémes összetétele lehetővé teheti az agyi felvételek készítését MRI vizsgálatok során – ami a mai implantátumokkal nagyrészt lehetetlen.

Kihívások a jövőben

Jelentős akadályok vannak még a neurális por rutinszerű klinikai alkalmazásáig. Néhány szemcsétől az agyban együttműködő ezrekig való skálázás hatalmas mérnöki kihívás. A hosszú távú biokompatibilitást emberi szövetben kell bizonyítani, nem csak rágcsáló modellekben. És bármely beültetett neurális eszköz szabályozási jóváhagyása évekig tartó biztonsági adatokat igényel.

Vannak etikai kérdések is. Egy olyan technológia, amely képes nagymértékben olvasni – és potenciálisan írni – neurális jeleket, aggályokat vet fel a magánélet, a beleegyezés és a neurális adatok tulajdonjogának határai tekintetében, amelyeket a meglévő jogi keretek alig kezdtek el kezelni.

Az úton a laborból a klinikára

A neurális por a nanotechnológia, az idegtudomány és a vezeték nélküli mérnöki tudomány metszéspontjában helyezkedik el. A Neuralink és a Paradromics cégek versenyeznek az agy-számítógép interfészek kereskedelmi forgalomba hozataláért, de jelenlegi terveik még mindig vezetékes vagy viszonylag nagy implantátumokra támaszkodnak. Ha a neurális por be tudja váltani a vezeték nélküli, tartós, szubmilliméteres szenzorok ígéretét, az alapvetően megváltoztathatja, ahogyan az orvosok diagnosztizálják és kezelik a neurológiai betegségeket – a fekete dobozból nyitott könyvvé változtatva az agyat.