Naukowcy z KAIST i Uniwersytetu Yonsei opracowali miniaturowy implant mózgowy, którym można sterować przez Internet z dowolnego miejsca na świecie. Urządzenie umożliwia precyzyjne podawanie leków oraz optyczną stymulację wybranych neuronów. W eksperymencie badacz znajdujący się w Chicago z powodzeniem sterował implantem wszczepionym szczurowi w Daejeon w Korei Południowej.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak sterowany przez Internet implant mózgowy umożliwia zdalne podawanie leków i optyczną stymulację wybranych neuronów bez obecności naukowca w laboratorium.
- Jak naukowiec z Chicago sterował w czasie rzeczywistym implantem znajdującym się w Daejeon w Korei Południowej i dlaczego ma to znaczenie dla długoterminowych badań mózgu.
- Jak połączenie systemu mikroprzepływowego, mikrodiody LED i łączności IoT pozwala jednocześnie lub niezależnie podawać leki oraz stymulować neurony.
- Dlaczego technologia może być przydatna w badaniach nad uzależnieniami, depresją i chorobami neurodegeneracyjnymi oraz jak może wpłynąć na rozwój przyszłych inteligentnych implantów medycznych.
Implant mózgowy łączy podawanie leków i stymulację neuronów
Nową platformę opracował zespół kierowany przez prof. Jae-Woonga Jeonga ze Szkoły Inżynierii Elektrycznej KAIST we współpracy z zespołem prof. Wha Young Kim z Wydziału Medycznego Uniwersytetu Yonsei. Wyniki opublikowano w „Science Advances”. Urządzenie integruje w jednym systemie mikroprzepływowe podawanie leków, stymulację optyczną, komunikację bezprzewodową oraz sterowanie przez Internet. Implant ma wielkość kostki cukru i został zaprojektowany tak, aby nie ograniczać naturalnego zachowania zwierząt laboratoryjnych.
System mikroprzepływowy pozwala dostarczać leki bezpośrednio do wybranego obszaru mózgu. Jednocześnie wbudowana mikrodioda LED umożliwia wykorzystanie światła do kontrolowania określonych neuronów. Obie funkcje mogą działać niezależnie albo jednocześnie.
Naukowiec w Chicago sterował implantem w Korei
Jednym z kluczowych elementów rozwiązania jest łączność IoT. W przeciwieństwie do wcześniejszych systemów bezprzewodowych badacz nie musi znajdować się w pobliżu urządzenia. Zespół zademonstrował tę możliwość w praktyce. Naukowiec przebywający w Chicago sterował w czasie rzeczywistym implantem znajdującym się w Daejeon w Korei Południowej. Eksperyment potwierdził możliwość niezawodnego działania systemu na dystansie międzykontynentalnym.
Urządzenie można również wcześniej zaprogramować, aby podawało lek lub uruchamiało stymulację optyczną o określonej godzinie. Otwiera to możliwość prowadzenia długotrwałych i zautomatyzowanych eksperymentów bez ciągłej obecności naukowca.
Mniej stresu i „efektu obserwatora” w badaniach mózgu
Dotychczas badania wykorzystujące optogenetykę lub miejscowe podawanie leków często wymagały przewodów i dodatkowego sprzętu, które ograniczały ruch zwierząt. Nawet rozwiązania bezprzewodowe zazwyczaj wymagały obecności badacza w niewielkiej odległości. Nowy system ma ograniczać ten problem. Brak konieczności podchodzenia do zwierzęcia i obsługi urządzenia w jego bezpośrednim otoczeniu zmniejsza stres oraz ryzyko wpływu obecności człowieka na zachowanie zwierzęcia i wyniki eksperymentu.
Istotnym rozwiązaniem jest również magnetycznie odłączany zbiornik na lek. Po jego opróżnieniu można go wymienić lub ponownie napełnić bez przeprowadzania kolejnej operacji wszczepienia implantu.
Implant testowano przez cztery tygodnie
Urządzenie wszczepiono szczurom i testowano przez cztery tygodnie. W jednym z eksperymentów naukowcy bezprzewodowo podawali kokainę do mózgu szczura, jednocześnie stymulując światłem określone neurony. Połączenie obu metod pozwoliło tłumić reakcje behawioralne związane z uzależnieniem. Zdaniem autorów pokazuje to możliwości platformy w badaniach zależności pomiędzy aktywnością konkretnych obwodów neuronalnych a zachowaniem.
Ta platforma pozwala naukowcom zdalnie i precyzyjnie kontrolować określone obwody mózgowe przez dłuższy czas, podczas gdy zwierzęta poruszają się swobodnie w naturalnych warunkach – powiedziała prof. Wha Young Kim z Uniwersytetu Yonsei.
Od badań nad uzależnieniem do inteligentnych implantów
Technologia może znaleźć zastosowanie przede wszystkim w długoterminowych badaniach zaburzeń związanych ze zmianami funkcjonowania obwodów neuronalnych. Autorzy wskazują m.in. uzależnienia, depresję i choroby neurodegeneracyjne. Na obecnym etapie jest to platforma badawcza testowana na zwierzętach, a nie urządzenie terapeutyczne przeznaczone dla pacjentów. Naukowcy widzą jednak możliwość dalszego rozwoju tej koncepcji.
W przyszłości podobne implanty mogłyby łączyć monitorowanie stanu mózgu ze sztuczną inteligencją, a następnie automatycznie uruchamiać odpowiednią interwencję – np. podanie leku lub stymulację neuronów – w momencie wykrycia określonych zmian.
Główne wnioski
- Naukowcy z KAIST i Uniwersytetu Yonsei opracowali miniaturowy implant neuronowy z łącznością IoT, który umożliwia zdalne podawanie leków i optyczną stymulację neuronów przez Internet.
- Urządzenie ma wielkość kostki cukru, zawiera system mikroprzepływowy, mikrodiodę LED oraz wymienny magnetycznie zbiornik na lek, co pozwala prowadzić długotrwałe eksperymenty bez kolejnej operacji wszczepienia.
- Implant testowano u szczurów przez cztery tygodnie. Badacz znajdujący się w Chicago z powodzeniem sterował urządzeniem umieszczonym w Daejeon w Korei Południowej, potwierdzając możliwość działania systemu na dystansie międzykontynentalnym.
- W eksperymencie łączącym podawanie kokainy ze stymulacją optyczną określonych neuronów udało się tłumić reakcje behawioralne związane z uzależnieniem. Technologia pozostaje jednak na etapie badań na zwierzętach i nie jest obecnie urządzeniem terapeutycznym dla pacjentów.
Źródło:
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee8648
- The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
