Przekazywanie informacji do mózgu bez udziału naturalnych zmysłów jeszcze niedawno należało do domeny science fiction. Najnowsze badania zespołu naukowców z Northwestern University pokazują jednak, że taki scenariusz staje się realny. Opracowane przez nich bezprzewodowe, w pełni wszczepialne urządzenie wykorzystuje światło do bezpośredniej komunikacji z korą mózgową, omijając wzrok, słuch i dotyk. Wyniki pracy, opublikowane w Nature Neuroscience, otwierają nowy rozdział w neurobiologii, bioelektronice i badaniach nad sztuczną percepcją.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa nowe bezprzewodowe urządzenie optogenetyczne i w jaki sposób przesyła informacje do mózgu z wykorzystaniem światła.
- Dlaczego zastosowanie matrycy 64 mikrodiod LED stanowi przełom w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami optogenetycznymi.
- Jak mózg uczy się interpretować sztuczne wzorce aktywności neuronalnej jako znaczące sygnały, nawet bez udziału zmysłów.
- Jakie potencjalne zastosowania kliniczne i terapeutyczne może mieć ta technologia w neurologii, rehabilitacji i medycynie przyszłości.
Światło zamiast zmysłów – jak działa nowe urządzenie
Nowe rozwiązanie ma postać miękkiego, elastycznego implantu, który umieszcza się pod skórą głowy, na powierzchni czaszki. Urządzenie wysyła precyzyjnie zaprogramowane impulsy świetlne, które przenikają przez kość i aktywują neurony w korze mózgowej.
Kluczową rolę odgrywa tu czerwone światło, które – jak podkreślają autorzy badania – bardzo dobrze przenika tkanki i dociera wystarczająco głęboko, aby pobudzać neurony bez konieczności ingerencji w strukturę mózgu. Dzięki temu implant jest mniej inwazyjny niż wcześniejsze rozwiązania optogenetyczne wymagające wprowadzania światłowodów bezpośrednio do mózgu.
Optogenetyka nowej generacji – od jednej diody do złożonych wzorców
Nowe badanie stanowi rozwinięcie wcześniejszych prac zespołu, który już w 2021 roku zaprezentował w pełni bezprzewodowe i bezbateryjne urządzenie optogenetyczne. Tamto rozwiązanie wykorzystywało pojedynczą mikrodiodę LED i pozwalało wpływać na zachowanie myszy bez ograniczania ich ruchu.
Obecna wersja idzie znacznie dalej. Implant zawiera programowalną matrycę do 64 mikrodiod LED, z których każda ma rozmiar pojedynczego włosa. Dzięki niezależnej kontroli nad:
- intensywnością światła,
- częstotliwością impulsów,
- sekwencją czasową i przestrzenną,
naukowcy mogą generować niemal nieskończoną liczbę wzorców stymulacji, naśladujących rozproszoną aktywność kory mózgowej występującą podczas naturalnych doznań sensorycznych. Jak wyjaśnia Mingzheng Wu, pierwszy autor badania:
W pierwszym artykule wykorzystaliśmy pojedynczną mikrodiodę LED. Teraz używamy matrycy 64 mikrodiod LED do kontrolowania wzorców aktywności korowej. Liczba wzorców, które możemy wygenerować za pomocą różnych kombinacji diod LED – częstotliwości, intensywności i sekwencji czasowej – jest niemal nieskończona.
Mózg uczy się nowych sygnałów
W eksperymentach wykorzystano myszy, których neurony zostały genetycznie zmodyfikowane, aby reagować na światło. Zwierzęta trenowano tak, aby kojarzyły określone wzorce stymulacji mózgu z nagrodą.
Implant dostarczał impulsy do czterech obszarów kory mózgowej, tworząc swoisty „kod” zapisany bezpośrednio w obwodach neuronalnych. Myszy szybko nauczyły się odróżniać właściwy wzorzec od dziesiątek innych i podejmowały prawidłowe decyzje behawioralne – mimo że nie otrzymywały żadnych bodźców wzrokowych, słuchowych ani dotykowych. Jak podkreśla Wu:
Konsekwentnie wybierając właściwy port, zwierzę pokazało, że odebrało sygnał. Nie potrafią użyć języka, aby przekazać nam, co czują, więc komunikują się poprzez swoje zachowanie.
Sztuczna percepcja i nowe możliwości terapeutyczne
Autorzy badania pokazali, że mózg potrafi interpretować sztucznie wytworzone wzorce aktywności jako znaczące informacje. To kluczowy krok w kierunku tworzenia sztucznej percepcji. Jak mówi Jewgienija Kozorowicka, neurobiolog kierująca częścią eksperymentalną projektu:
Nasze mózgi nieustannie przekształcają aktywność elektryczną w doświadczenia, a ta technologia daje nam możliwość bezpośredniego włączenia się w ten proces.
Potencjalne zastosowania tej technologii są bardzo szerokie i obejmują m.in.:
- zapewnianie sprzężenia zwrotnego sensorycznego w protezach kończyn,
- tworzenie przyszłych protez wzroku i słuchu,
- modulację percepcji bólu bez użycia opioidów,
- wsparcie rehabilitacji po udarze i urazach neurologicznych,
- sterowanie robotycznymi kończynami za pomocą sygnałów mózgowych.
Bioelektronika bez przewodów i baterii
Z punktu widzenia inżynierii równie istotne jak sama stymulacja jest to, że urządzenie jest w pełni bezprzewodowe, bezbateryjne i całkowicie wszczepialne. Jak podkreśla John A. Rogers, pionier bioelektroniki i współautor pracy:
Integrując miękką, dopasowującą się matrycę mikrodiod LED – każda wielkości pojedynczego włosa – z bezprzewodowo zasilanym modułem sterującym, stworzyliśmy system, który można programować w czasie rzeczywistym, pozostając całkowicie pod skórą, bez żadnego mierzalnego wpływu na naturalne zachowania zwierząt.
Główne wnioski
- Naukowcy z Northwestern University opracowali w pełni bezprzewodowe, bezbateryjne i wszczepialne urządzenie, które wykorzystuje światło do bezpośredniej komunikacji z korą mózgową.
- Urządzenie zawiera programowalną matrycę do 64 mikrodiod LED, umożliwiającą generowanie złożonych wzorców stymulacji naśladujących naturalną aktywność mózgu.
- W badaniach na myszach wykazano, że mózg potrafi nauczyć się interpretować sztuczne sygnały świetlne i wykorzystywać je do podejmowania decyzji behawioralnych.
- Technologia ma potencjał zastosowania m.in. w protezach sensorycznych, modulacji bólu, rehabilitacji neurologicznej oraz interfejsach mózg–komputer.
Źródło:
- Northwestern University
- https://www.nature.com/articles/s41593-025-02127-6
