Implant mniejszy niż ziarnko soli. Przez rok bezprzewodowo śledzi mózg
Naukowcy z Uniwersytetu Cornella opracowali implant neuralny tak mały, że mieści się na ziarnku soli, a mimo to potrafi bezprzewodowo rejestrować aktywność mózgu przez ponad rok. Urządzenie nazwane MOTE (Microscale Optoelectronic Tetherless Electrode) to przełom w dziedzinie długoterminowego i minimalnie inwazyjnego monitorowania pracy mózgu.
Jak podkreślają specjaliści, to osiągnięcie może zrewolucjonizować neuroinżynierię, badania nad chorobami neurologicznymi oraz interfejsy mózg-komputer (BCI), oferując naukowcom narzędzie do długotrwałej, precyzyjnej obserwacji neuronów bez potrzeby stosowania kabli, dużych elektrod czy modyfikacji genetycznych.
Technologia mniejsza od komórki nerwowej
Implant MOTE ma zaledwie 300 mikrometrów długości i 70 mikrometrów szerokości, czyli mniej niż grubość ludzkiego włosa. Pomimo mikroskopijnych rozmiarów, zawiera kompletny układ elektroniczny zdolny do rejestrowania i przesyłania danych z wnętrza mózgu.
Urządzenie zasilane jest promieniami czerwonego i podczerwonego światła, które bezpiecznie przenikają przez tkankę mózgową. Energia świetlna jest przechwytywana przez półprzewodnikową diodę z arsenku glinowo-galowego (AlGaAs), która zasila cały obwód i jednocześnie nadaje sygnały w formie impulsów świetlnych. Dzięki temu implant może komunikować się bezprzewodowo poprzez błyski światła kodujące aktywność elektryczną neuronów.
To prawdopodobnie najmniejszy implant na świecie, który potrafi mierzyć sygnały elektryczne w mózgu i przesyłać je bezprzewodowo na zewnątrz
Bez kabli, bez podrażnień, bez modyfikacji genetycznych
Tradycyjne elektrody lub światłowody stosowane w neurobadaniach mogą podrażniać tkankę mózgową, co prowadzi do reakcji immunologicznej i zafałszowania wyników. MOTE eliminuje ten problem dzięki swojej miniaturowej konstrukcji.
Zespół z Cornell przetestował implant najpierw na hodowlach komórkowych, a następnie wszczepił go do mózgów myszy, a dokładnie do tzw. barrel cortex, obszaru odpowiedzialnego za przetwarzanie bodźców z wibrysów (wąsów czuciowych). Przez ponad rok trwania eksperymentu urządzenie nieprzerwanie rejestrowało zarówno szybkie impulsy neuronowe, jak i wolniejsze fale synaptyczne, nie powodując przy tym stanów zapalnych ani zaburzeń w zachowaniu zwierząt.
Nowa era neuromonitoringu
Naukowcy podkreślają, że skład półprzewodnikowy MOTE może umożliwić jego stosowanie także w trakcie badań MRI, co dotąd było niemożliwe w przypadku metalicznych implantów. W przyszłości technologia może zostać przystosowana do pracy w rdzeniu kręgowym, a nawet zintegrowana z sztucznymi płytkami czaszki, by zapewnić ciągły monitoring aktywności mózgu u pacjentów z chorobami neurologicznymi.
Co więcej, dzięki wykorzystaniu technik kodowania znanych z komunikacji satelitarnej (tzw. pulse position modulation, w skrócie PPM) implant przesyła dane przy minimalnym zużyciu energii, zachowując stabilność sygnału przez wiele miesięcy.
Co warto podkreślić, pomysł na miniaturowy implant narodził się już w 2001 roku, ale dopiero rozwój technologii mikrochipów i półprzewodników pozwolił go zrealizować. Prace przyspieszyły dekadę temu, gdy współautor projektu połączył siły z zespołem Cornell Neurotech, inicjatywą łączącą naukowców z Wydziału Inżynierii i Nauk Przyrodniczych.
