Kontrol af neuroner med lys - men uden ledninger eller batterier

Professor i biomedicinsk teknik fra University of Arizona, Philipp Gutruf, er førsteforfatter på papiret Fuldt implanterbar, optoelektroniske systemer til batterifri, multimodal operation inden for neurovidenskabelig forskning, udgivet i Naturelektronik .

Optogenetik er en biologisk teknik, der bruger lys til at tænde eller slukke bestemte neurongrupper i hjernen. For eksempel, forskere kan bruge optogenetisk stimulation til at genoprette bevægelse i tilfælde af lammelse eller, i fremtiden, at slukke de områder af hjernen eller rygsøjlen, der forårsager smerte, eliminerer behovet for - og den stigende afhængighed af - opioider og andre smertestillende midler.

"Vi laver disse værktøjer til at forstå, hvordan forskellige dele af hjernen fungerer, "Gutruf sagde." Fordelen ved optogenetik er, at du har cellespecificitet:Du kan målrette mod bestemte grupper af neuroner og undersøge deres funktion og relation i hele hjernens kontekst. "

I optogenetik, forskere fylder specifikke neuroner med proteiner kaldet opsins, som konverterer lys til elektriske potentialer, der udgør funktionen af ​​et neuron. Når en forsker skinner lys over et område af hjernen, det aktiverer kun de opsin-belastede neuroner.

De første iterationer af optogenetik involverede at sende lys til hjernen gennem optiske fibre, hvilket betød, at forsøgspersoner blev fysisk bundet til en kontrolstation. Forskere udviklede en batterifri teknik ved hjælp af trådløs elektronik, hvilket betød, at emner kunne bevæge sig frit.

Men disse enheder kom stadig med deres egne begrænsninger - de var omfangsrige og fastgjorde ofte synligt uden for kraniet, de tillod ikke præcis kontrol af lysets frekvens eller intensitet, og de kunne kun stimulere et område af hjernen ad gangen.

Tager mere kontrol og mindre plads

"Med denne forskning, vi gik to til tre trin længere, "Gutruf sagde." Vi var i stand til at implementere digital kontrol over intensiteten og frekvensen af ​​det lys, der udsendes, og enhederne er meget miniaturiserede, så de kan implanteres under hovedbunden. Vi kan også uafhængigt stimulere flere steder i hjernen i det samme emne, hvilket heller ikke var muligt før. ”

Evnen til at kontrollere lysets intensitet er kritisk, fordi det giver forskere mulighed for at kontrollere præcis, hvor meget af hjernen lyset påvirker - jo lysere lys, jo længere vil den nå. Ud over, at kontrollere lysets intensitet betyder at kontrollere varmen, der genereres af lyskilderne, og undgå utilsigtet aktivering af neuroner, der aktiveres af varme.

Det trådløse, batterifrie implantater drives af eksterne oscillerende magnetfelter, og, trods deres avancerede evner, er ikke signifikant større eller tungere end tidligere versioner. Ud over, et nyt antennedesign har elimineret et problem, som tidligere versioner af optogenetiske enheder står over for, hvor styrken af ​​signalet, der overføres til enheden, varierede afhængigt af hjernens vinkel:Et motiv ville dreje hovedet, og signalet ville svækkes.

"Dette system har to antenner i et kabinet, som vi skifter signal frem og tilbage meget hurtigt, så vi kan drive implantatet i enhver retning, "Sagde Gutruf." I fremtiden vil denne teknik kan give batterifrie implantater, der giver uafbrudt stimulation uden at skulle fjerne eller udskifte enheden, resulterer i mindre invasive procedurer end nuværende pacemaker eller stimuleringsteknikker. "

Enheder implanteres med en simpel kirurgisk procedure, der ligner operationer, hvor mennesker er udstyret med neurostimulatorer, eller "hjernepacemakere". De forårsager ingen negative virkninger for forsøgspersoner, og deres funktionalitet nedbrydes ikke i kroppen over tid. Dette kan have konsekvenser for medicinsk udstyr som f.eks. Pacemakere, som i øjeblikket skal udskiftes hvert femte til 15. år.

Papiret demonstrerede også, at dyr implanteret med disse enheder sikkert kan afbildes med computertomografi, eller CT, og magnetisk resonansbilleddannelse, eller MR, som giver mulighed for avanceret indsigt i klinisk relevante parametre såsom knoglens og vævs tilstand og anordningens placering.