Najmniejszy na świecie implant mózgowy śledzi sygnały nerwowe przez rok

Kropka, która czyta mózg

Implant nerwowy tak mały, że mieści się na ziarnku soli, bezprzewodowo przesyłał dane o aktywności mózgu od żywych myszy przez ponad rok – to osiągnięcie, które może zmienić sposób, w jaki naukowcy badają i leczą zaburzenia neurologiczne. Urządzenie, znane jako MOTE (mikroskalowa optoelektroniczna elektroda bezprzewodowa), ma zaledwie 300 mikronów długości i 70 mikronów szerokości. Jak napisał New Atlas, w łyżeczce zmieściłoby się ich ponad 4,78 miliona.

Jak to działa

W przeciwieństwie do konwencjonalnych implantów mózgowych, które wykorzystują przewody lub nieporęczne urządzenia, MOTE działa całkowicie na świetle. Czerwone i podczerwone wiązki laserowe przechodzą nieszkodliwie przez tkankę mózgową, aby zasilić diodę półprzewodnikową z arsenku galu i aluminium, która jednocześnie wychwytuje energię i emituje impulsy podczerwone przenoszące zakodowane sygnały nerwowe. Metoda kodowania – modulacja położenia impulsu – jest tą samą techniką, która jest stosowana w satelitarnej komunikacji optycznej.

„Kluczową innowacją jest wykorzystanie pojedynczej diody półprzewodnikowej do zbierania energii i transmisji danych” – wyjaśnił Alyosha Molnar, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Cornell, który po raz pierwszy wpadł na ten pomysł w 2001 roku. Urządzenie zawiera również wzmacniacz o niskim poziomie szumów i enkoder optyczny zbudowany w oparciu o standardową technologię mikrochipów, a wszystko to upakowane w objętości poniżej nanolitra.

Rok czystych danych

Naukowcy wszczepili MOTE do kory beczkowatej myszy – obszaru mózgu, który przetwarza sensoryczne informacje z wibrysów. Przez dwanaście miesięcy urządzenie rejestrowało zarówno szybkie impulsy elektryczne z pojedynczych neuronów, jak i szersze wzorce aktywności synaptycznej, a wszystko to podczas gdy zwierzęta pozostawały zdrowe i swobodnie się poruszały.

Ta długowieczność ma znaczenie. Tradycyjne elektrody i włókna optyczne podrażniają otaczającą tkankę, wywołując reakcje immunologiczne, które z czasem pogarszają jakość sygnału. Ekstremalna miniaturyzacja MOTE radykalnie redukuje ten problem, a w przeciwieństwie do metod obrazowania wapniowego, rejestruje dane elektryczne bez konieczności modyfikacji genetycznej neuronów.

Kompatybilność z MRI i nie tylko

Być może najważniejszą klinicznie zaletą jest potencjalna kompatybilność implantu ze skanerami MRI. Obecne metalowe implanty zniekształcają obrazy rezonansu magnetycznego i mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa wewnątrz urządzeń MRI. Półprzewodnikowe materiały MOTE mogłyby umożliwić jednoczesne elektryczne rejestrowanie aktywności mózgu i skanowanie MRI – połączenie, które, według Cornell Chronicle, „w dużej mierze nie jest możliwe w przypadku obecnych implantów”.

Zespół badawczy, współkierowany przez Sunwoo Lee z Nanyang Technological University – który opracował tę technologię jako pracownik naukowy podoktorski w laboratorium Molnara – przewiduje przyszłe zastosowania wykraczające poza mózg. Zaadaptowane wersje mogłyby monitorować aktywność rdzenia kręgowego, integrować się ze sztucznymi płytkami czaszki wyposażonymi w optoelektronikę lub pomagać w opracowywaniu terapii na depresję, demencję i chorobę Parkinsona.

Nowa skala dla neuronauki

Odkrycia, opublikowane w Nature Electronics, pojawiają się w przełomowym momencie dla interfejsów mózg-komputer. Firmy takie jak Neuralink rozwijają komercyjne implanty nerwowe, ale urządzenia te pozostają znacznie większe i wymagają chirurgicznego wszczepienia matryc elektrod. MOTE sugeruje radykalnie inną ścieżkę: czujniki o niewidocznej skali, które powodują minimalne zakłócenia i ostatecznie mogłyby być rozmieszczone w dużych ilościach w całym mózgu.

Badania zostały wsparte finansowaniem z National Institutes of Health, a produkcja odbyła się w Cornell NanoScale Facility. Chociaż badania na ludziach pozostają odległe, technologia ta pokazuje, że przyszłość monitorowania mózgu może nie wymagać większych urządzeń – tylko inteligentniejszych, mniejszych.