Профессор биомедицинской инженерии Университета Аризоны Филипп Гутруф является первым автором статьи «Полностью имплантируемые оптоэлектронные системы для мультимодальной операции без батареи в исследованиях нейробиологии», опубликованной в журнале Nature Electronics.
Оптогенетика — это биологический метод, использующий свет для включения или выключения определенных групп нейронов в мозге . Например, исследователи могут использовать оптогенетическую стимуляцию для восстановления движения в случае паралича или, в будущем, для отключения областей мозга или позвоночника, которые вызывают боль, устраняя необходимость в опиоидах и других обезболивающих и увеличивая их зависимость от них. ,
«Мы создаем эти инструменты, чтобы понять, как работают разные части мозга», — сказал Гутруф. «Преимущество оптогенетики заключается в том, что вы обладаете специфичностью к клеткам: вы можете нацеливаться на определенные группы нейронов и исследовать их функции и отношения в контексте всего мозга».
В оптогенетике исследователи загружают определенные нейроны белками, называемыми опсинами, которые преобразуют свет в электрические потенциалы, которые выполняют функцию нейрона. Когда исследователь освещает область мозга, он активирует только загруженные опсином нейроны.
Первые итерации оптогенетики включали передачу света в мозг через оптические волокна, что означало, что испытуемые были физически привязаны к контрольной станции. Исследователи продолжили разработку техники без батареи, используя беспроводную электронику, что означало, что предметы могли свободно двигаться.
Но эти устройства все еще имели свои собственные ограничения — они были громоздкими и часто прикреплялись визуально вне черепа, они не позволяли точно контролировать частоту или интенсивность света, и они могли стимулировать только одну область мозга за раз.
Взять больше контроля и меньше места
«С этим исследованием мы пошли на два-три шага дальше», — сказал Гутруф. «Мы смогли реализовать цифровой контроль над интенсивностью и частотой излучаемого света, а устройства очень миниатюрны, поэтому их можно имплантировать под кожу головы. Мы также можем независимо стимулировать несколько мест в мозге одного и того же субъекта, что также не было возможно раньше «.
Способность контролировать интенсивность света имеет решающее значение, поскольку она позволяет исследователям точно контролировать, на сколько мозг воздействует свет — чем ярче свет, тем дальше он достигнет. Кроме того, управление интенсивностью света означает управление теплом, генерируемым источниками света , и предотвращение случайной активации нейронов, которые активируются под действием тепла.
Беспроводные имплантаты без батареи питаются от внешних колебательных магнитных полей и, несмотря на их расширенные возможности, не являются значительно большими или тяжелыми, чем предыдущие версии. Кроме того, новая конструкция антенны устранила проблему, с которой сталкивались предыдущие версии оптогенетических устройств, в которых сила сигнала, передаваемого на устройство, варьировалась в зависимости от угла наклона головного мозга: субъект поворачивал голову, и сигнал ослабевать.
«Эта система имеет две антенны в одном корпусе, и мы очень быстро переключаем сигнал назад и вперед, чтобы обеспечить питание имплантата в любой ориентации», — сказал Гутруф. «В будущем этот метод может обеспечить имплантаты без батареи, которые обеспечивают бесперебойную стимуляцию без необходимости извлекать или заменять устройство, что приводит к менее инвазивным процедурам, чем современные методы кардиостимуляции или стимуляции».
Устройства имплантируются с помощью простой хирургической процедуры, аналогичной операциям, при которых людям назначают нейростимуляторы или «кардиостимуляторы мозга». Они не оказывают вредного воздействия на предметы, и их функциональность не ухудшается в организме с течением времени. Это может иметь значение для медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы, которые в настоящее время необходимо заменять каждые пять-15 лет.
В документе также показано, что животных, имплантированных с помощью этих устройств, можно безопасно визуализировать с помощью компьютерной томографии, или КТ, и магнитно-резонансной томографии, или МРТ, которые позволяют лучше понять клинически значимые параметры, такие как состояние кости и ткани и размещение устройство.
