Čo je to neurálny prach a ako číta váš mozog?

Senzor menší ako soľ

Predstavte si zariadenie také malé, že sa zmestí na zrnko soli, a pritom dostatočne výkonné na to, aby odpočúvalo elektrické signály jednotlivých neurónov. To je neurálny prach – trieda ultra-miniatúrnych bezdrôtových senzorov navrhnutých na implantáciu do tela na monitorovanie alebo stimuláciu nervovej aktivity v reálnom čase. Neurálny prach, prvýkrát navrhnutý v roku 2013 výskumníkmi z Kalifornskej univerzity v Berkeley, sa snaží vyriešiť jednu z najstarších bolestí hlavy v neurovede: ako počúvať mozog bez toho, aby bol pripútaný k objemným káblom, ktoré sa časom znehodnocujú.

Ako funguje neurálny prach

Každá „čiastočka“ neurálneho prachu obsahuje iba tri základné komponenty: pár elektród, ktoré detekujú elektrické signály z blízkych neurónov, tranzistor, ktorý zosilňuje tieto signály, a piezoelektrický kryštál, ktorý zabezpečuje napájanie aj komunikáciu.

Systém sa spolieha na ultrazvuk namiesto rádiových vĺn. Externý interogátor, umiestnený tesne pod lebkou, vysiela ultrazvukové impulzy smerom k implantovanej čiastočke. Piezoelektrický kryštál premieňa mechanické vibrácie týchto impulzov na elektrinu, čím napája zariadenie bez akejkoľvek batérie. Keď nerv vyšle signál, výsledná zmena napätia moduluje tranzistor, ktorý následne mení spôsob, akým kryštál vibruje. Odrazený ultrazvukový impulz prenáša odtlačok tohto neurálneho signálu späť do interogátora, ktorý ho dekóduje.

Ultrazvuk ponúka kľúčovú výhodu oproti rádiofrekvenčným prístupom: attenuuje oveľa menej pri prechode tkanivom. To umožňuje implantovať čiastočky hlbšie do tela a zároveň spoľahlivo komunikovať, a udržuje absorpciu energie v okolitom tkanive v bezpečných limitoch.

Aké malé môžu byť?

Pôvodné prototypy z Berkeley mali priemer približne jeden milimeter. Odvtedy inžinieri z Cornellovej univerzity dramaticky posunuli hranice so zariadením nazývaným MOTE (microscale optoelectronic tetherless electrode) – približne 300 mikrónov dlhým a 70 mikrónov širokým. Namiesto ultrazvuku je MOTE napájaný infračerveným laserovým svetlom, ktoré neškodne prechádza mozgovým tkanivom. Komunikuje smerom von pomocou pulzne-pozičnej modulácie, rovnakej schémy kódovania, ktorá sa používa v satelitných optických spojeniach, čím sa spotreba energie udržiava na zanedbateľne nízkej úrovni. Pri testoch na zvieratách jeden MOTE bezdrôtovo prenášal údaje o mozgovej aktivite viac ako rok.

Prečo je to dôležité pre medicínu

Súčasné rozhrania mozog-počítač, ako napríklad Utah array, vyžadujú zväzky káblov, ktoré prenikajú lebkou a sú náchylné na tvorbu jazvového tkaniva, degradáciu signálu a riziko infekcie. Neurálny prach a jeho potomkovia sľubujú bezdrôtovú, minimálne invazívnu alternatívu s niekoľkými potenciálnymi aplikáciami:

• Epilepsia: Kontinuálne monitorovanie vzorcov neurálneho výboja v reálnom čase by mohlo detekovať elektrické signatúry, ktoré predchádzajú záchvatu, čo by umožnilo cielenú stimuláciu na jeho prevenciu ešte pred začiatkom príznakov.
• Paralýza: Polia bezdrôtových čiastočiek by mohli tvoriť vysokopásmové rozhrania mozog-počítač, ktoré by prekladali zamýšľané pohyby pacienta do príkazov pre robotické končatiny alebo exoskelety – bez akýchkoľvek externých káblov.
• Chronická bolesť: Príbuzné zariadenie nazývané StimDust, testované na modeloch hlodavcov na UC Berkeley, preukázalo, že neurálny prach dokáže nielen zaznamenávať signály, ale aj poskytovať presnú elektrickú stimuláciu periférnym nervom, čím otvára cestu k „elektrofarmaceutikám“, ktoré liečia bolesť bez liekov.
• Kompatibilita s MRI: Nemetalické zloženie MOTE by mohlo umožniť záznamy mozgu počas MRI skenov – čo je s dnešnými implantátmi do značnej miery nemožné.

Výzvy do budúcnosti

Predtým, ako sa neurálny prach dostane do bežného klinického použitia, zostávajú významné prekážky. Prechod od niekoľkých čiastočiek k tisícom pracujúcich v súčinnosti vnútri mozgu je obrovská inžinierska výzva. Dlhodobá biokompatibilita sa musí preukázať v ľudskom tkanive, nielen na modeloch hlodavcov. A regulačné schválenie akéhokoľvek implantovaného neurálneho zariadenia si vyžaduje roky údajov o bezpečnosti.

Existujú aj etické otázky. Technológia schopná čítať – a potenciálne aj zapisovať – neurálne signály vo veľkom rozsahu vyvoláva obavy o súkromie, súhlas a hranice vlastníctva neurálnych údajov, ktorými sa existujúce právne rámce sotva začali zaoberať.

Cesta z laboratória na kliniku

Neurálny prach sa nachádza na priesečníku nanotechnológií, neurovedy a bezdrôtového inžinierstva. Spoločnosti ako Neuralink a Paradromics pretekajú v komercializácii rozhraní mozog-počítač, ale ich súčasné návrhy sa stále spoliehajú na káblové alebo relatívne veľké implantáty. Ak neurálny prach dokáže splniť svoj sľub neviazaných, dlhotrvajúcich, sub-milimetrových senzorov, mohol by zásadne zmeniť spôsob, akým lekári diagnostikujú a liečia neurologické ochorenia – premenou mozgu z čiernej skrinky na otvorenú knihu.