Najmenší mozgový implantát na svete sleduje nervové signály rok

Bodka, ktorá číta mozog

Nervový implantát taký malý, že sa zmestí na zrnko soli, bezdrôtovo prenášal údaje o aktivite mozgu živých myší viac ako rok – čo je výkon, ktorý by mohol zmeniť spôsob, akým vedci študujú a liečia neurologické poruchy. Zariadenie, známe ako MOTE (mikroskopická optoelektronická bezdrôtová elektróda), meria len 300 mikrónov na dĺžku a 70 mikrónov na šírku. Ako uviedol New Atlas, do čajovej lyžičky by sa ich zmestilo viac ako 4,78 milióna.

Ako to funguje

Na rozdiel od konvenčných mozgových implantátov, ktoré sa spoliehajú na drôty alebo objemný hardvér, MOTE funguje výlučne na svetle. Červené a infračervené laserové lúče prechádzajú neškodne cez mozgové tkanivo, aby napájali polovodičovú diódu z arzenidu hlinitého a gália, ktorá súčasne zachytáva energiu a vysiela infračervené impulzy prenášajúce zakódované nervové signály. Metóda kódovania – pulzná polohová modulácia – je rovnaká technika, aká sa používa v satelitnej optickej komunikácii.

„Kľúčovou inováciou je použitie jedinej zlúčeniny polovodičovej diódy na zber energie aj prenos dát,“ vysvetlil Alyosha Molnar, profesor elektrotechniky a počítačového inžinierstva na Cornellovej univerzite, ktorý s touto myšlienkou prvýkrát prišiel v roku 2001. Zariadenie tiež obsahuje nízkošumový zosilňovač a optický enkodér vyrobený zo štandardnej technológie mikročipov, všetko zabalené do objemu menšieho ako nanoliter.

Rok čistých dát

Výskumníci implantovali MOTE do barelovej kôry myší – oblasti mozgu, ktorá spracováva senzorické vstupy z fúzov. Počas dvanástich mesiacov zariadenie zaznamenávalo rýchle elektrické hroty z jednotlivých neurónov aj širšie vzorce synaptickej aktivity, pričom zvieratá zostali zdravé a voľne sa pohybovali.

Na tejto dlhovekosti záleží. Tradičné elektródy a optické vlákna dráždia okolité tkanivo, čo spúšťa imunitné reakcie, ktoré časom zhoršujú kvalitu signálu. Extrémna miniaturizácia MOTE tento problém výrazne znižuje a na rozdiel od prístupov využívajúcich zobrazovanie vápnika zachytáva elektrické údaje bez potreby genetickej modifikácie neurónov.

Kompatibilita s MRI a ďalšie

Snáď najvýznamnejšou klinickou výhodou je potenciálna kompatibilita implantátu so skenermi MRI. Súčasné kovové implantáty skresľujú obrazy magnetickej rezonancie a môžu predstavovať bezpečnostné riziká vnútri prístrojov MRI. Polovodičové materiály MOTE by mohli umožniť súčasné elektrické snímanie mozgu a skenovanie MRI – kombinácia, ktorá je podľa Cornell Chronicle „do značnej miery nemožná so súčasnými implantátmi.“

Výskumný tím, ktorý spoločne vedie Sunwoo Lee z Nanyang Technological University – ktorý vyvinul túto technológiu ako postdoktorandský výskumník v Molnarovom laboratóriu – si predstavuje budúce aplikácie aj mimo mozgu. Upravené verzie by mohli monitorovať aktivitu miechy, integrovať sa s umelými lebečnými platničkami vybavenými optoelektronikou alebo pomôcť vyvinúť terapie pre depresiu, demenciu a Parkinsonovu chorobu.

Nová škála pre neurovedu

Zistenia, publikované v Nature Electronics, prichádzajú v kľúčovom momente pre rozhrania mozog-počítač. Spoločnosti ako Neuralink posúvajú komerčné nervové implantáty vpred, ale tieto zariadenia zostávajú oveľa väčšie a vyžadujú chirurgické vloženie polí elektród. MOTE naznačuje radikálne odlišnú cestu: senzory neviditeľnej veľkosti, ktoré spôsobujú minimálne narušenie a mohli by byť nakoniec nasadené vo veľkom počte v celom mozgu.

Výskum bol podporený financovaním od National Institutes of Health, pričom výroba prebiehala v Cornell NanoScale Facility. Hoci sú klinické skúšky na ľuďoch ešte vzdialené, táto technológia demonštruje, že budúcnosť monitorovania mozgu si nemusí vyžadovať väčšie zariadenia – len inteligentnejšie, menšie.