9 Minutės
Tyrėjai iš Northwestern universiteto sukūrė minkštą, belaidį implantą, kuris bendrauja su smegenimis naudodamas išdėstytų šviesos impulsų sekas. Projektuodami programuojamas mikro-LED sekas per kaukolę, įrenginys išmoko gyvūnus traktuoti tas šviesos schemas kaip naujus, reikšmingus signalus, kurie nukreipia sprendimus ir elgesį. Ši metodika atveria naujas galimybes smegenų sąsajoms, optogenetikai ir neuroprotezavimui, suteikdama alternatyvią sensorinę sąveiką be laidų ar stambių išorinių blokų.
Plonas, lankstus ir belaidis įrenginys padėtas šalia ketvirčio monetos, kad būtų matyti mastelis. Įrenginys skleidžia sudėtingas šviesos schemas (čia parodytas kaip raidė „N“), perduodamas informaciją tiesiogiai į smegenis. Dėl savo plonumo ir formuojamos konstrukcijos jis gali prisitaikyti prie kaukolės kontūrų, o belaidis energijos tiekimas sumažina infekcijos ir prijungimo rizikas.
How light becomes a new sense: the device and the idea
Optogenetika — metodas, priverčiantis neuronus reaguoti į šviesą — kardinaliai pakeitė neuromokslą, tačiau iki šiol ši technologija dažnai priklausė nuo standžių optinių pluoštų ir didelės įrangos, kuri ribojo natūralų gyvūnų elgesį. Šis naujas implantas iš naujo apmąsto tą koncepciją ir sprendžia ankstesnius techninius trūkumus. Tai minkštas, formuojamas mikro-LEDų masyvas, kuris dedamas po odos sluoksniu ir guli ant kaukolės paviršiaus, yra belaidžiu būdu maitinamas ir realiuoju laiku programuojamas. Vietoje šviesos tiekimo per įsivaizduotus implantus, sistema siunčia išdėstytą raudonos šviesos srautą per kaukolės kaulą, aktyvuodama genetiškai jautrius kortikalinius neuronus didelėse srityse.
„Sukūrėme sistemą, kuri gali generuoti sudėtingas, išsklaidytas schemas, kurias smegenys įprastai mato tikruose jutiminiuose įvykiuose,“ sakė John A. Rogers, kurio laboratorija sukūrė aparatūrą. Masyvas — kompaktiškas kaip pašto ženklas ir plonesnis už kredito kortelę — talpina iki 64 atskirai adresuojamų mikro-LEDų, kiekvienas jų mažesnis nei žmogaus plauko storis. Programinė įranga valdo dažnį, intensyvumą ir laiko sekas, taip sudarydama beveik begalinį šviesos kodų žodyną, kurį smegenys gali išmokti interpretuoti. Tokiu būdu galima kurti erdvinius ir laiko derinius, imituojančius natūralius jutiminius signalus ir padidinančius informacijos pralaidumą per kortikalinę zoną.
From flashes to behavior: training animals on artificial codes
Bandymuose laboratorijoje, pelės, genetiškai modifikuotos ekspresuoti šviesai jautrias kanalų baltymus kortikaliniuose neuronuose, buvo apmokomos atpažinti konkrečias šviesos sekas. Implantas skleidė pliūpsnius per keturias skirtingas kortikalines sritis, sudarydamas išskirtinį, kelių sritinių aktyvacijos modelį, kuris veikė kaip koduota žinutė. Gyvūnai išmoko sieti tą modelį su apdovanojimu ir patikimai nukreipdavo savo veiksmus į teisingą maisto ar skysčio įleidimo lizdą, kai aptikdavo tikslo seką.
„Jie negali mums pasakyti, ką jie 'jaučia', todėl jų pasirinkimai atskleidžia supratimą,“ komentavo neuromokslininkė Yevgenia Kozorovitskiy. Kartotiniai bandymai rodė, kad pelės sugebėjo atskirti tikslo modelį nuo daugelio trukdžių, įrodydamos, kad smegenys gali traktuoti šiuos dirbtinius, belaidžius įvedimus kaip prasmingą informaciją — iš esmės skaitydamos šviesą kaip naują jutimo kanalą. Šis gebėjimas reiškia, kad smegenys gali išmokti asociatyviai susieti sudėtingus erdvinius-laiko signalus su konkrečiomis reikšmėmis ar veiksmais.
Demonstracijoje inžinieriai suprogramavo įrenginį rodyti šviesos schemas, atitinkančias Tetris žaidimo seką. Šios sudėtingos šviesos kompozicijos siunčia informaciją tiesiai į smegenis — apeidamos organizmo natūralius jutimo takus ir leidžiančios tiesioginę kortikalinę pertvarką. Demonstracija parodė, kad net abstraktesnės ir nuoseklios vizualinės sekos gali būti paverstos interpretuojamais kortikaliniais signalais, jei smegenys gauna pakankamai nuoseklaus apmokymo ir pasikartojimų.
Why this matters: implications for neural interfaces and neuroprosthetics
Šis progresas yra daugiau nei laboratorinis įdomumas. Jei kortikalinės, išdėstytos stimulacijos schemas galima patikimai išmokti ir panaudoti, tai atveria kelis klinikinius ir technologinius taikymus:
- Neuroprotezavimo grįžtamasis ryšys: Protezinėms galūnėms reikalingas jutiminis grįžtamasis ryšys, kad jos jaustųsi natūraliai. Išdėstyti šviesos kodai galėtų tiesiogiai korteksui perduoti dirbtinio prisilietimo ar propiocepcijos signalus.
- Prarastų pojūčių atkūrimas: Pacientams, kuriems smarkiai pažeistos jutimo kelio struktūros, kortikalinė šviesos stimulacija galėtų tapti alternatyviu keliu perduoti garso arba vaizdo informaciją.
- Skaučių valdymas ir reabilitacija: Ne farmakologinė kortikalinių grandinių moduliacija gali padėti skausmo valdymui, smegenų plastiškumui po insulto ar motorikos atstatymui.
- Smegenų ir kompiuterių sąsajos (BCI): Belaidis, daugialypis stimulavimas išplečia, ką BCI gali siųsti į smegenis — sukuriant turtingesnį, dvikryptį ryšį tarp mašinų ir neuroninio audinio.
Kiekviena iš šių krypčių reikalauja papildomų eksperimentų ir tarpdisciplininių pastangų, susiejant optogenetiką, medžiagų mokslą, klinikinius tyrimus ir etikos vertinimus. Neuroprotezavimo atveju svarbu sukurti atvirkštinį ryšį, kuris būtų pakankamai tikslus ir laiku, kad protezas taptų funkcionaliu ir suvokiama prasme „priklausomu“ nuo vartotojo.
Scientific background: building on optogenetics and soft bioelectronics
Naujas įrenginys yra kitas žingsnis trajektorijoje, kuri sujungė optogenetiką su pažangiausiomis medžiagomis. Ankstyvieji optogenetiniai eksperimentai naudojo prijungtas optines sistemas, kurios ribojo gyvūnų laisvę ir sukeldavo papildomą stresą. 2021 metais Northwestern komandos pristatė visiškai implantabilų, be baterijos veikiantį įrenginį, galintį vienoje vietoje valdyti šviesos impulsus. Dabartinė 64 mikro-LEDų masyvo koncepcija padaugino tas galimybes: kombinuojant mikro-LED'us skirtingose kortikalo zonose dabar įmanoma sukurti šimtus ar net tūkstančius skirtingų erdvinių-laiko modelių.
Natūrali percepcija aktyvina platų, išsklaidytą neuroninių tinklų tinklą, o ne pavienius taškus; todėl tyrėjai pabrėžė išdėstytos stimulacijos svarbą, imituojančią realaus pasaulio kortikalinę dinamiką. Raudonos bangos ilgiai buvo pasirinkti dėl geresnio skvarbumo per kaulą ir minkštuosius audinius, leidžiant stimuliaciją iš kaukolės paviršiaus vietoje gilios implantacijos. Tai sumažina invazyvumą ir galimą audinių traumavimą, išlaikant plačią kortikalinę aprėptį ir leidžiant kurti didesnio ploto sensorinius kodus.
Technical and ethical considerations
Pagrindinės techninės kliūtys vis dar išlieka. Dabartiniai eksperimentai remiasi gyvūnais, kurių neuronai yra genetiškai jautrinti šviesai; pritaikyti šį požiūrį žmonėms reikštų alternatyvias strategijas, kaip padaryti neuronus jautriais, kartu atliekant griežtus saugumo tyrimus dėl šviesos dozimetrijos, terminio poveikio ir ilgalaikio biokompatibilumo. Belaidis maitinimas ir realaus laiko programavimo galimybės jau sumažina infekcijos ir prijungimo rizikas, tačiau chroniškai implantuoti įrenginiai reikalautų ypatingos kapsuliacijos, patvarių medžiagų ir mechaninių sprendimų, kurie atlaikytų kelerių metų kortikalinį judėjimą ir biologinį poveikį.
Etiniai klausimai yra lygiai taip pat svarbūs. Siųsti į smegenis bet kokius signalus reiškia nagrinėti agentiškumo, sutikimo, privatumo ir nenumatytų percepcijos ar elgesio pokyčių problemas. Bet koks klinikinis diegimas turi subalansuoti galimą naudą — sugrąžintus pojūčius, sumažintą skausmą, geresnę protezų funkciją — su rizikomis ir užtikrinti tvirtą reguliacinį bei etinį priežiūros mechanizmą. Reikia sukurti aiškias gaires dėl informuoto sutikimo, saugumo standartų ir ilgalaikio stebėjimo pacientų duomenims bei poveikiui vertinti.
What the experiments showed: key discoveries
Tyrimas, publikuotas gruodžio 8 d. žurnale Nature Neuroscience, parodė kelis konkrečius rezultatus:
- Pelės išmoko interpretuoti per kaukolę siunčiamą mikro-LED stimulaciją kaip aiškius informacinius signalus ir naudojo juos elgesio valdymui.
- Programuojamas 64 mikro-LEDų masyvas generavo sudėtingesnius kortikalinius aktyvacijos modelius nei vieno taško stimulacija, taip padidinant potencialų informacijos pralaidumą.
- Minkštas, po odos dizainas leido vykdyti stimuliaciją nepastebimai nekeisdamas natūralaus elgesio — tai yra privalumas atliekant natūralistiškesnius elgesio tyrimus.
Be to, rezultatai pabrėžė, kad sistemos gebėjimas tiksliai valdyti laiko ir erdvinius parametrus yra esminis aspektas kuriant interpretuojamus kortikalinius kodus. Tyrimas parodė, jog net esant atskirai veikiančioms sritys, tinkamai suprogramuotos kombinacijos gali sukelti aiškias, atskirtas suvokimo asociacijas.
Next steps: scaling patterns, coverage and wavelengths
Tyrėjai planuoja tirti, kiek skirtingų modelių smegenys gali patikimai išmokti ir išlaikyti, plėsti LED skaičių ir kortikalinį aprėptį, sumažinti tarpų tarp LED'ų dydį, kad būtų išgauta smulkesnė erdvinė raiška, ir išbandyti papildomas šviesos bangas, siekiant pasiekti gilesnes smegenų struktūras. Taip pat planuojama kurti algoritmus, kurie koduotų jutimams panašią informaciją į šviesos sekas, kurias korteksas galėtų greitai ir tiksliai interpretuoti. Kita kryptis apima pažangias mokymosi paradigmas, kurios optimizuoja asociacijų formavimą tarp šviesos kodų ir elgesio rezultatų, siekiant sumažinti mokymo laiką ir padidinti atpažinimo robustumą.
Expert Insight
„Šis darbas griaužia tradicines ribas tarp jutimo ir stimulacijos,“ sako dr. Laila Gomez, hipotetinė neuroninės inžinerijos specialistė. „Jei smegenys gali išmokti dekoduoti laisvai sudarytas schemas, tai keičia požiūrį į funkcijų atkūrimą: nebūtina visada taisyti pažeisto kelio — galima suteikti alternatyvų kanalą, kurį smegenys išmoks naudoti. Žinoma, vertimas į žmones reikalauja naujų molekulinių įrankių arba papildomų elektros metodų, kad neuronai taptų reaguojantys ir ilgalaikėje perspektyvoje saugūs.“
Broader context: how this links to brain-computer interfaces
Šiuolaikinės smegenų ir kompiuterių sąsajos (BCI) dažniausiai orientuojasi į neuroninių signalų skaitymą — intencijų dekodavimą, leidžiantį valdyti žymeklius, robotus ar protezines galūnes. Šis tyrimas stumia kryptį į priešingą pusę: rašyti struktūruotas žinutes į žievę. Rašymo ir skaitymo derinys atveria galimybę dvikryptėms BCI sistemoms, kurios gali tiek suvokti intenciją, tiek pateikti atitinkamą grįžtamąjį ryšį, uždarant kontrolės kilpą tokiu būdu, kad pagalbinės priemonės jaustųsi natūralesnės ir efektyvesnės vartotojui.
Real-world scenarios
Įsivaizduokite žmogų, kuris valdo robotizuotą ranką per neuroninius signalus ir tuo pačiu gauna išdėstytą kortikalinį grįžtamąjį ryšį, kuris perteikia prisilietimo vietą ir slėgio intensyvumą. Arba pagalvokite apie klausos implantą, kuris apeina pažeistus klausos nervus ir pristato informaciją kaip kortikalinius šviesos kodus, kuriuos smegenys sugeba interpretuoti. Tokie scenarijai nors ir tolimesni, dabar atrodo labiau koncepciniai ir įgyvendinami, dėka pažangos belaidžių, daugialypių optogenetinių sąsajų srityje.
What researchers said
Yevgenia Kozorovitskiy apibūdino platformą kaip „būdą tiesiogiai prisijungti prie to, kaip elektrinė veikla virsta patirtimi.“ John A. Rogers pabrėžė dizaino iššūkį — kaip suteikti išdėstytą stimulaciją kuo mažiau invaziniu, visiškai implantabiliu formatu. Postdoktorinis tyrėjas Mingzheng Wu pažymėjo, kad perėjimas nuo vieno mikro-LED prie 64 elementų masyvo dramatiškai padidina kombinuotą galimų modelių erdvę — dažnio, intensyvumo ir laiko parametrų derinių daugialypumą — leidžiant kurti turtingus, interpretuojamus kodus.
Plėtojant šią sritį, bendradarbiavimas tarp neuromokslo, medžiagų mokslo, etikos ir klinikinės medicinos bus esminis, kad išdėstyta kortikalinė stimulacija būtų sėkmingai perkelta nuo pelių modelių į prasmingas žmonių terapijas. Tai apima ir technologinius sprendimus, ir griežtą etinę bei reguliacinę analizę, siekiant užtikrinti pacientų saugumą ir naudą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą