Μικροσκοπικό Εμφύτευμα “Μιλάει” στον Εγκέφαλο με Φως LED: Νέα Ελπίδα για Θεραπείες
Μια πρωτοποριακή διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής (BMI) χρησιμοποιεί το φως για να “μιλήσει” στον εγκέφαλο, όπως αποδεικνύουν πειράματα σε ποντίκια.
Η ελάχιστα επεμβατική ασύρματη συσκευή, η οποία τοποθετείται κάτω από το δέρμα του τριχωτού της κεφαλής, λαμβάνει εισόδους με τη μορφή φωτεινών μοτίβων, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρονται σε γενετικά τροποποιημένους νευρώνες στον εγκεφαλικό ιστό.
Στη νέα μελέτη, αυτοί οι νευρώνες ενεργοποιήθηκαν σαν να ανταποκρίνονταν σε αισθητηριακές πληροφορίες από τα μάτια των ποντικιών. Τα ποντίκια έμαθαν να αντιστοιχίζουν αυτά τα διαφορετικά μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας για να εκτελέσουν συγκεκριμένες εργασίες – συγκεκριμένα, να αποκαλύψουν τις θέσεις νόστιμων σνακ σε μια σειρά εργαστηριακών πειραμάτων.
Η συσκευή αποτελεί ένα βήμα προς μια νέα γενιά BMIs που θα είναι σε θέση να λαμβάνουν τεχνητές εισόδους – στην προκειμένη περίπτωση, φως LED – ανεξάρτητα από τα τυπικά αισθητηριακά κανάλια στα οποία βασίζεται ο εγκέφαλος, όπως τα μάτια. Αυτό θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατασκευάσουν συσκευές που συνδέονται με τον εγκέφαλο, χωρίς να απαιτούνται καλώδια ή ογκώδη εξωτερικά μέρη.
“Η τεχνολογία είναι ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για τη διεξαγωγή θεμελιώδους έρευνας” και θα μπορούσε να αντιμετωπίσει τις προκλήσεις της ανθρώπινης υγείας μακροπρόθεσμα, δήλωσε ο John Rogers, ερευνητής βιοηλεκτρονικής στο Northwestern University και κύριος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στις 8 Δεκεμβρίου στο περιοδικό Nature Neuroscience.
Παρακάμπτοντας το Αισθητηριακό Σύστημα
Η συσκευή, η οποία είναι μικρότερη από ένα ανθρώπινο δείκτη, είναι μαλακή και εύκαμπτη, έτσι ώστε να προσαρμόζεται στην καμπυλότητα του κρανίου. Περιλαμβάνει 64 μικροσκοπικά LED, ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που τροφοδοτεί τα φώτα και μια κεραία δέκτη. Επιπλέον, μια εξωτερική κεραία ελέγχει τα LED χρησιμοποιώντας επικοινωνίες κοντινού πεδίου (NFC) – ηλεκτρομαγνητικά πεδία για επικοινωνίες μικρής εμβέλειας, όπως γίνεται για ανέπαφες πληρωμές με κάρτες.
Η συμπαγής συσκευή έχει σχεδιαστεί για να τοποθετείται κάτω από το δέρμα, αντί να εμφυτεύεται απευθείας στον εγκέφαλο. “Προβάλλει φως απευθείας στον εγκέφαλο [μέσω του κρανίου] και η απόκριση του εγκεφάλου σε αυτό το φως δημιουργείται από μια γενετική τροποποίηση στους νευρώνες”, δήλωσε ο Rogers στο Live Science.
Τα εγκεφαλικά κύτταρα κανονικά δεν ανταποκρίνονται στο φως που ρίχνεται πάνω τους, επομένως απαιτείται επεξεργασία γονιδίων για να συμβεί αυτό.
“Η γενετική τροποποίηση δημιουργεί ευαίσθητα στο φως κανάλια ιόντων”, εξήγησε ο Rogers. Όταν ενεργοποιούνται από το φως, αυτά τα κανάλια επιτρέπουν σε φορτισμένα σωματίδια να εισέλθουν στα εγκεφαλικά κύτταρα, πυροδοτώντας ένα σήμα που στη συνέχεια αποστέλλεται σε άλλα κύτταρα. “Μέσω αυτού του μηχανισμού, δημιουργούμε άμεσα ευαισθησία στο φως στον ίδιο τον εγκεφαλικό ιστό”, είπε. Η γενετική τροποποίηση των εγκεφαλικών κυττάρων έγινε χρησιμοποιώντας έναν ιικό φορέα, έναν ακίνδυνο ιό που έχει δημιουργηθεί για να παραδώσει την επιθυμητή γενετική τροποποίηση σε συγκεκριμένα κύτταρα σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου.
Η δύναμη της Οπτογενετικής και η “ομιλία” με τον Εγκέφαλο
Η χρήση του φωτός για τον έλεγχο της δραστηριότητας των γενετικά τροποποιημένων κυττάρων ονομάζεται optogenetics και είναι μια σχετικά νέα επιστήμη. Στο παρελθόν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια παρόμοια προσέγγιση για να ενεργοποιήσουν μόνο μία ομάδα εγκεφαλικών κυττάρων, αλλά η νέα συσκευή τους επέτρεψε να εναλλάσσουν τη δραστηριότητα πολλών νευρώνων σε όλο τον εγκέφαλο.
“[Η γενετική τροποποίηση] δεν διεγείρει μόνο το τμήμα του εγκεφάλου που είναι φυσικά υπεύθυνο για την οπτική αντίληψη, αλλά σε ολόκληρη την επιφάνεια του φλοιού”, είπε ο Rogers. Έτσι, η αποστολή διαφορετικών μοτίβων φωτισμού δημιουργεί μια αντίστοιχη κατανομή της νευρωνικής δραστηριότητας. “Είναι σαν να μπορούμε να προβάλουμε μια σειρά εικόνων – σχεδόν σαν να παίζουμε μια ταινία – απευθείας στον εγκέφαλο ελέγχοντας την αλληλουχία των μοτίβων.”
Οι ερευνητές δοκίμασαν το εμφύτευμα στα ποντίκια, δίνοντας ασύρματες οδηγίες να παράγει διάφορες εκρήξεις φωτός. Τα ποντίκια εκπαιδεύτηκαν να ανταποκρίνονται σε κάθε μοτίβο με μια συγκεκριμένη συμπεριφορά, υποδεικνύοντας ότι μπορούσαν να διακρίνουν μεταξύ των μεταδιδόμενων μοτίβων. Με κάθε τύπο σήματος, έπρεπε να πάνε σε μια συγκεκριμένη κοιλότητα σε έναν τοίχο και για τη σωστή επιλογή, θα έπαιρναν ζαχαρόνερο ως ανταμοιβή.
Ο Bin He, ερευνητής νευρομηχανικής στο Carnegie Mellon University, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, το χαρακτήρισε ως μια νέα τεχνική για τη χρήση του φωτός για τη ρύθμιση των κυκλωμάτων σε όλο τον εγκέφαλο. “Μπορεί να έχει διάφορες εφαρμογές στην έρευνα νευροεπιστήμης χρησιμοποιώντας ζωικά μοντέλα … και όχι μόνο”, είπε.
Για παράδειγμα, οι ερευνητές βλέπουν δυνατότητες για αυτή τη συσκευή σε μελλοντικά προσθετικά μέλη. Οι εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν την προσθήκη αισθήσεων, όπως η αφή ή η πίεση, σε προσθετικά μέλη ή την αποστολή οπτικών ή ακουστικών σημάτων σε προσθέσεις όρασης ή ακοής.
“Οι οπτογενετικές τεχνικές μόλις αρχίζουν να χρησιμοποιούνται με ανθρώπους”, είπε ο Rogers. “Υπάρχουν τεράστια πλεονεκτήματα [στη χρήση του φωτός] επειδή δεν χρειάζεται να διαταράξετε τους εγκεφαλικούς ιστούς. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός για να ελέγξετε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου.”
Ο Rogers είπε ότι από τεχνολογικής άποψης, η πλατφόρμα θα μπορούσε να κλιμακωθεί για να καλύψει πολύ μεγαλύτερες περιοχές του εγκεφάλου και να περιέχει περισσότερα micro-LED. Ωστόσο, θα έπρεπε να επανεξετάσουν τις απαιτήσεις τροφοδοσίας για να υποστηρίξουν μια μεγαλύτερη συσκευή. Θα πρέπει τεχνικά να λειτουργεί σε ανθρώπους όπως στα ποντίκια, αλλά θα χρειαστεί περαιτέρω έρευνα πριν από οποιεσδήποτε δοκιμές σε ανθρώπους.
“Το μεγαλύτερο εμπόδιο αφορά την κανονιστική έγκριση για τη γενετική τροποποίηση”, είπε.
Εφαρμογές και Μελλοντικές Θεραπείες για τον Εγκέφαλο
Η συγκεκριμένη τεχνολογία υπόσχεται να φέρει επανάσταση στις θεραπείες νευρολογικών ασθενειών αλλά και στην βελτίωση της ζωής ανθρώπων με αναπηρίες. Στην Ελλάδα, υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για νέες μεθόδους όπως αυτή που εξετάζουμε.
- Βελτίωση αισθήσεων σε προσθετικά μέλη
- Θεραπείες για απώλεια ακοής και όρασης
- Κατανόηση των λειτουργιών του εγκεφάλου
- Ανάπτυξη νέων φαρμάκων
Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)
- Πώς ακριβώς λειτουργεί το εμφύτευμα; Το εμφύτευμα χρησιμοποιεί μικροσκοπικά LED για να προβάλει φως σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου. Τα κύτταρα στον εγκέφαλο έχουν τροποποιηθεί γενετικά ώστε να είναι ευαίσθητα στο φως.
- Είναι ασφαλής η γενετική τροποποίηση στον εγκέφαλο; Προς το παρόν, η χρήση γενετικής τροποποίησης σε ανθρώπους απαιτεί πολύ αυστηρούς ελέγχους και εγκρίσεις. Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για να γίνει η διαδικασία όσο το δυνατόν ασφαλέστερη.
- Πότε θα είναι διαθέσιμη αυτή η τεχνολογία για ανθρώπους; Χρειάζεται περισσότερη έρευνα και δοκιμές πριν αυτή η τεχνολογία γίνει διαθέσιμη για ανθρώπινη χρήση. Παρόλα αυτά, οι προοπτικές είναι πολύ ελπιδοφόρες.