Ученые Северо-Западного университета совершили прорыв в нейробиологии и биоэлектронике, разработав беспроводное устройство, которое использует свет для передачи информации непосредственно в мозг. Эта технология обходит традиционные сенсорные пути в организме, доставляя сигналы прямо к нейронам.
Устройство представляет собой мягкую и гибкую конструкцию, размещающуюся под кожей головы, над черепом. Из этого положения оно посылает тщательно контролируемые световые паттерны через кость, активируя определенные группы нейронов по всей коре головного мозга.
В ходе испытаний исследователи использовали крошечные, точно синхронизированные вспышки света для стимуляции целевых популяций нейронов глубоко в мозге лабораторных мышей. Эти нейроны были генетически модифицированы для реагирования на свет. Мыши быстро научились интерпретировать определенные паттерны как значимые сигналы. Даже без звука, зрения или осязания животные использовали поступающую информацию для принятия решений и точного выполнения поведенческих задач.
Подобная технология однажды сможет поддерживать широкий спектр медицинских применений. Среди потенциальных вариантов использования – обеспечение сенсорной обратной связи для протезов конечностей, доставка искусственных входных данных для будущих слуховых или зрительных протезов, управление роботизированными конечностями, улучшение реабилитации после травм или инсультов, а также изменение восприятия боли без применения медикаментов.
Нейробиолог Северо-Западного университета Евегния Козоровицки, руководившая экспериментальной частью исследования, отметила: «Наш мозг постоянно преобразует электрическую активность в опыт, и эта технология дает нам способ напрямую подключиться к этому процессу. Эта платформа позволяет нам создавать совершенно новые сигналы и видеть, как мозг учится их использовать. Это немного приближает нас к восстановлению утраченных чувств после травм или болезней, одновременно предлагая окно в основные принципы, которые позволяют нам воспринимать мир».
Джон А. Роджерс, ведущий специалист в области биоэлектроники и руководитель разработки технологии, добавил: «Разработка этого устройства потребовала переосмысления того, как подавать структурированную стимуляцию в мозг в формате, который является одновременно минимально инвазивным и полностью имплантируемым. Интегрировав мягкий, прилегающий массив микросветодиодов – каждый размером с человеческий волос – с беспроводным модулем управления, мы создали систему, которую можно программировать в реальном времени, при этом она остается полностью под кожей, не оказывая заметного влияния на естественное поведение животных. Это представляет собой значительный шаг вперед в создании устройств, которые могут взаимодействовать с мозгом без необходимости громоздких проводов или внешнего оборудования. Это ценно как для фундаментальных нейронаучных исследований в ближайшей перспективе, так и для решения проблем здравоохранения у людей в долгосрочной перспективе».
Евегния Козоровицки является профессором нейробиологии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и членом Института химии жизненных процессов. Джон Роджерс занимает должности в области материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и нейрохирургии, а также руководит Институтом биоэлектроники Куэрри Симпсона. Главным автором исследования является постдокторант Миндженг Ву.
Данное исследование основывается на более ранних работах той же команды. В 2021 году они сообщили о создании первого полностью имплантируемого, программируемого, беспроводного и безаккумуляторного устройства, которое могло управлять нейронами с помощью света. Та система использовала единственный микро-LED-зонд для влияния на социальное поведение мышей. В отличие от традиционной оптогенетики, которая опиралась на оптоволоконные провода, ограничивающие движение, беспроводная конструкция позволяла мышам вести себя нормально в социальной среде.
Новое устройство расширяет эти возможности, обеспечивая более сложную связь с мозгом. Вместо стимуляции одной небольшой области обновленная система использует массив до 64 программируемых микросветодиодов. Каждый светодиод можно контролировать независимо в реальном времени, что позволяет исследователям подавать последовательности, которые напоминают распределенные паттерны активности, естественным образом производимые мозгом во время сенсорных переживаний. Поскольку реальные ощущения активируют широкие сети, а не изолированные нейроны, этот многосайтовый подход отражает то, как обычно функционирует кора головного мозга.
«В первой работе мы использовали один микросветодиод, – пояснил Миндженг Ву. – Теперь мы используем массив из 64 микросветодиодов для контроля паттерна кортикальной активности. Количество паттернов, которые мы можем генерировать с различными комбинациями светодиодов – частота, интенсивность и временная последовательность – практически бесконечно».
Несмотря на расширенные возможности, устройство остается миниатюрным – размером примерно с почтовую марку и тоньше кредитной карты. Вместо того чтобы вводить зонд в мозг, новая версия мягко прилегает к поверхности черепа и направляет свет через кость.
«Красный свет довольно хорошо проникает в ткани, – прокомментировала Козоровицки. – Он достигает достаточно глубоко, чтобы активировать нейроны через череп».
Чтобы оценить систему, команда работала с мышами, которые были генетически модифицированы для наличия светочувствительных нейронов в коре головного мозга. Животных обучали ассоциировать определенный паттерн стимуляции с вознаграждением, обычно расположенным в определенном порту внутри тестовой камеры.
В ходе серии экспериментов имплантат доставлял определенный паттерн по четырем областям коры, что функционировало подобно передаче закодированного сообщения непосредственно в мозг. Мыши научились идентифицировать этот целевой паттерн среди множества альтернатив. Когда они обнаруживали правильный искусственный сигнал, они направлялись к соответствующему порту для получения вознаграждения.
«Постоянно выбирая правильный порт, животное показывало, что оно получило сообщение, – сказал Ву. – Они не могут использовать язык, чтобы рассказать нам, что чувствуют, поэтому они общаются через свое поведение».
Теперь, когда команда продемонстрировала, что мозг может интерпретировать структурированную световую стимуляцию как осмысленную информацию, они планируют протестировать более сложные паттерны и определить, сколько различных сигналов мозг может надежно усвоить. Будущие версии устройства могут включать больше светодиодов, меньшее расстояние между ними, более крупные массивы, охватывающие большую часть коры, и длины волн света, проникающие глубже в ткани.
Исследование, озаглавленное Patterned wireless transcranial optogenetics generates artificial perception, получило поддержку от Института биоэлектроники Куэрри Симпсона, NINDS/BRAIN Initiative, Национального института психического здоровья, премии One Mind Nick LeDeit Rising Star Research Award, Kavli Exploration Award, Shaw Family Pioneer Award, Simons Foundation, Alfred P. Sloan Foundation и Christina Enroth-Cugell and David Cugell Fellowship. Работа должна быть опубликована в понедельник, 8 декабря, в журнале Nature Neuroscience.
