Μια νέα διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής (Brain-Machine Interface, BMI) χρησιμοποιεί το φως για να «μιλήσει» στον εγκέφαλο, όπως δείχνουν πειράματα σε ποντίκια. Μέσω της άμεσης επικοινωνίας με τον εγκέφαλο, η νέα αυτή ασύρματη συσκευή θα μπορούσε κάποια μέρα να βοηθήσει στην αποκατάσταση χαμένων αισθήσεων ή στη διαχείριση του πόνου χωρίς φάρμακα, σύμφωνα με τους δημιουργούς της.
Η ελάχιστα επεμβατική ασύρματη συσκευή, η οποία τοποθετείται κάτω από το κρανίο, λαμβάνει πληροφορίες 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 ταιριάζουν αυτά τα διαφορετικά μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας για να εκτελούν συγκεκριμένες εργασίες — συγκεκριμένα, να ανακαλύπτουν τις θέσεις νόστιμων σνακ σε μια σειρά εργαστηριακών πειραμάτων.
Η συσκευή σηματοδοτεί ένα βήμα προς μια νέα γενιά BMI που θα είναι ικανές να λαμβάνουν τεχνητές πληροφορίες — στην περίπτωση αυτή, φως LED — ανεξάρτητα από τα τυπικά αισθητήρια όργανα στα οποία βασίζεται ο εγκέφαλος, όπως τα μάτια. Αυτό θα βοηθούσε τους επιστήμονες να κατασκευάσουν συσκευές που θα συνδέονται με τον εγκέφαλο, χωρίς να απαιτούν καλώδια ή ογκώδη εξωτερικά μέρη.
«Η τεχνολογία είναι ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για τη διεξαγωγή βασικής έρευνας» και θα μπορούσε να αντιμετωπίσει τις προκλήσεις για την ανθρώπινη υγεία μακροπρόθεσμα, δήλωσε ο Τζον Ρότζερς, ερευνητής βιοηλεκτρονικής στο Northwestern University και κύριος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στις 8 Δεκεμβρίου στο περιοδικό Nature Neuroscience.
Παράκαμψη του αισθητηριακού συστήματος
Η συσκευή, η οποία είναι μικρότερη από τον δείκτη του ανθρώπινου χεριού, είναι μαλακή και εύκαμπτη, ώστε να προσαρμόζεται στην καμπυλότητα του κρανίου. Περιλαμβάνει 64 μικροσκοπικά LED, ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που τροφοδοτεί τα φώτα και μια κεραία λήψης. Επιπλέον, μια εξωτερική κεραία ελέγχει τα LED χρησιμοποιώντας επικοινωνίες κοντινού πεδίου (Νear-field-communications, NFC) — ηλεκτρομαγνητικά πεδία για επικοινωνίες μικρής εμβέλειας, όπως γίνεται για τις ανέπαφες πληρωμές με κάρτα.
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», εξήγησε ο Ρότζερς στο Live Science.
Τα εγκεφαλικά κύτταρα δεν ανταποκρίνονται κανονικά στο φως που τους πέφτει, οπότε απαιτείται γονιδιακή επεξεργασία για να συμβεί αυτό.
«Η γενετική τροποποίηση δημιουργεί κανάλια ιόντων ευαίσθητα στο φως», εξήγησε ο Ρότζερς. Όταν ενεργοποιούνται από το φως, αυτά τα κανάλια επιτρέπουν στα φορτισμένα σωματίδια να ρέουν στα εγκεφαλικά κύτταρα, ενεργοποιώντας ένα σήμα που στη συνέχεια αποστέλλεται σε άλλα κύτταρα. «Μέσω αυτού του μηχανισμού, δημιουργούμε ευαισθησία στο φως απευθείας στον ίδιο τον εγκεφαλικό ιστό», είπε. Η γενετική τροποποίηση των εγκεφαλικών κυττάρων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας έναν ιικό φορέα, έναν αβλαβή ιό που δημιουργήθηκε για να μεταφέρει την επιθυμητή γενετική τροποποίηση σε συγκεκριμένα κύτταρα σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου.
Η χρήση του φωτός για τον έλεγχο της δραστηριότητας των γενετικά τροποποιημένων κυττάρων ονομάζεται οπτογενετική και είναι μια σχετικά νέα επιστήμη. Σε προηγούμενη εργασία, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια παρόμοια προσέγγιση για να ενεργοποιήσουν μόνο μία ομάδα εγκεφαλικών κυττάρων, αλλά η νέα συσκευή τούς επέτρεψε να ενεργοποιήσουν τη δραστηριότητα πολλών νευρώνων σε ολόκληρο τον εγκέφαλο.
«[Η γενετική τροποποίηση] δεν διεγείρει μόνο το τμήμα του εγκεφάλου που είναι φυσιολογικά υπεύθυνο για την οπτική αντίληψη, αλλά ολόκληρη την επιφάνεια του φλοιού», είπε ο Ρότζερς. Έτσι, η αποστολή διαφορετικών μοτίβων φωτισμού δημιουργεί μια αντίστοιχη κατανομή της νευρικής δραστηριότητας. «Είναι σαν να μπορούμε να προβάλλουμε μια σειρά εικόνων — σχεδόν σαν να παίζουμε μια ταινία — απευθείας στον εγκέφαλο, ελέγχοντας την ακολουθία των μοτίβων».
Οι ερευνητές δοκίμασαν το εμφύτευμα στα ποντίκια, δίδοντάς του ασύρματα εντολές να παράγει διάφορα μοτίβα φωτεινών εκρήξεων. Τα ποντίκια εκπαιδεύτηκαν να ανταποκρίνονται σε κάθε μοτίβο με μια συγκεκριμένη συμπεριφορά, δείχνοντας ότι μπορούσαν να διακρίνουν τα μοτίβα που μεταδίδονταν. Με κάθε τύπο σήματος, έπρεπε να πηγαίνουν σε μια συγκεκριμένη κοιλότητα σε έναν τοίχο και, αν επέλεγαν σωστά, έπαιρναν ζαχαρούχο νερό ως ανταμοιβή.
Ο Μπιν Χε, ερευνητής νευρομηχανικής στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, χαρακτήρισε την τεχνική ως καινοτόμο για τη χρήση του φωτός στη ρύθμιση κυκλωμάτων σε ολόκληρο τον εγκέφαλο. «Μπορεί να έχει διάφορες εφαρμογές στην έρευνα της νευροεπιστήμης με τη χρήση ζωικών μοντέλων… και όχι μόνο», ανέφερε.
Για παράδειγμα, οι ερευνητές βλέπουν δυνατότητες για τη χρήση αυτής της συσκευής σε μελλοντικά προσθετικά μέλη.
Οι εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν την προσθήκη αισθήσεων, όπως η αφή ή η πίεση, σε προσθετικά άκρα, ή την αποστολή οπτικών ή ακουστικών σημάτων σε προσθετικά όργανα όρασης ή ακοής.
«Οι οπτογενετικές τεχνικές μόλις αρχίζουν να χρησιμοποιούνται στους ανθρώπους», τόνισε ο Ρότζερς. «Υπάρχουν τεράστια πλεονεκτήματα [στη χρήση του φωτός], επειδή δεν χρειάζεται να διαταράξετε τους ιστούς του εγκεφάλου. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός για να ελέγξετε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου».
Ο Ρότζερς σημείωσε ότι από τεχνολογική άποψη, η πλατφόρμα θα μπορούσε να επεκταθεί ώστε να καλύπτει πολύ μεγαλύτερες περιοχές του εγκεφάλου και να περιέχει περισσότερα μικρο-LED. Ωστόσο, θα πρέπει να επανεξετάσουν τις απαιτήσεις τροφοδοσίας για να υποστηρίξουν μια μεγαλύτερη συσκευή. Τεχνικά, θα πρέπει να λειτουργεί στους ανθρώπους όπως και στα ποντίκια, αλλά θα χρειαστεί περαιτέρω έρευνα πριν από οποιαδήποτε δοκιμή σε ανθρώπους.
«Το μεγαλύτερο εμπόδιο είναι η έγκριση των ρυθμιστικών αρχών για τη γενετική τροποποίηση», είπε.
Πηγή: livescience.com
