Nuotoliniai neuriniai eksperimentai su RAPIDO implantais

4 Minutės

Scena buvo beveik kinematografiška: Čikagoje esantis tyrėjas internetu išsiuntė komandą ir už akimirkos mažas įrenginys laisvai judančios žiurkės Daejeone, Pietų Korėjoje, kūne sureagavo. Dešimt tūkstančių šeši šimtai devyniasdešimt šeši kilometrai kabelių ir įrangos susispaudė į 109 milisekundžių tarpą tarp sprendimo ir veiksmo.

Kaip jie atliko nuotolinį neurinį eksperimentą

Tai buvo inžinerinis bandymas su akivaizdžia mokslinio potencialo perspektyva. KAIST ir Yonsei universiteto komandos aprašė sistemą, pavadintą RAPIDO, straipsnyje žurnale Science Advances. Esmė: komandos, perduotos iš Čikagos per esamą interneto infrastruktūrą, pasiekė laboratorijos kompiuterį Korėjoje, o iš ten belaidis ryšys aktyvavo kompaktišką smegenų implantą žiurkės viduje. Vidutinis užklausos-atsakymo laikas: maždaug 109 milisekundės. Pakankamai greita daugeliui neuromokslo eksperimentų. Pakankamai, kad atrodytų momentinė.

Laisvai judanti žiurkė, nešiojanti bevielį RAPIDO smegenų implantą.

Tačiau RAPIDO nėra vien tik nuotolinis jungiklis. Jis sujungia dvi intervencijas į vieną mažą korpusą, kurį žiurkės gali nešiotis natūraliai elgdamiesi. Vienas kanalas tiekia programuojamas dozes iš papildomos užpildomos kasetės. Kitas skleidžia šviesą per miniatiūrinę LED lempą, stimuliuojant genetiškai taikomas ląsteles – tai optogenetinis metodas. Tyrėjai gali aktyvuoti šias funkcijas atskirai, sudėti jas tvarkaraščiu arba vykdyti iš anksto užprogramuotus sekvencijas, perduodamas internetu.

Ko eksperimentai iš tikrųjų siekė

Komanda atliko dvi atskiras elgesio patikras, kad patvirtintų platformos veikimą. Pirmasis testas susitelkė į užpildomos vaistų tiekimo galimybės patikrinimą. RAPIDO buvo naudojamas skirtingoms kokaino dozėms tiesiai įpilti į nucleus accumbens – smegenų sritį, stipriai susijusią su atlygiu ir motyvuotu judėjimu. Rezultatas parodė dozei priklausomus judėjimo pokyčius. Šie efektai buvo atkuriami po dviejų, trijų ir keturių savaičių po implantacijos, rodant, kad tiekimas buvo pasikartojantis per laiką be papildomų operacijų.

Smegenų implanto apžvalga ir jo pagrindinė funkcija.

Antrasis eksperimentas izoliuodavo implanto optinį valdymą. Vietoj to, kad implanto pagalba būtų tiekiamas kokainas, tyrėjai vaistą suleido intraperitonealiai ir naudojo implantą tik šviesai skleidžiant. Optogenetinė aktyvacija taikė RhoA signalizacijos taką kondicionavimo metu. Žiurkės, gavusios kokainą, bet nešviesai, aiškiai pirmenybę teikė skyriui, susijusiam su narkotiku. Gyvūnai, kurių RhoA takas buvo suaktyvintas implanto, tokios pačios parinkties nesudėjo. Paprastai tariant, šviesos stimuliacija pakeitė tai, kaip žiurkės išmoko vertinti su kokainu susietą aplinką.

Iš Čikagos siunčiamos komandos nuotoliniu būdu aktyvavo RAPIDO smegenų implantą Daejeone, Pietų Korėjoje, už 10 596 kilometrų.

Tai yra koncepcijos patvirtinimo demonstracijos. Jos parodo, kad platforma gali pakartotinai keisti smegenų cheminię sudėtį ir neuroninę signalizaciją, ir kad tokie manipuliavimai duoda matuojamus elgesio rezultatus. Jos nepateikia gydymo priklausomybei ir teigia ne iškart klinikinį pritaikomumą.

„Mūsų smegenų implantas leidžia tyrėjams vykdyti pakartotinas, ilgalaikes ir nuotoliniu būdu valdomas vaistų ir optines intervencijas laisvai judančiuose gyvūnuose be nuolatinio gyvūno laikymo ar implanto pakeitimo per papildomas operacijas,“ KAIST elektros inžinierius Jae-Woong Jeong, vadovavęs tyrimui, sakė tinklalapiui ScienceAlert. „Tai leidžia vykdyti ilgalaikius eksperimentus su mažesne tiesiogine intervencija ir sumažintu tyrėjo buvimo poveikiu.“

Jeong atvirai pripažino ribas. „Didžiausias iššūkis yra įrodyti ilgalaikį saugumą ir patikimumą žmogaus smegenyse,“ jis sakė, pažymėdamas, kad klinikinė transliacija reikalautų išsamaus biokompatibilumo, pakavimo, pristatymo sistemų ir saugiklių testavimo. Optogenetika prideda dar vieną sudėtingumo sluoksnį, nes reikalingas saugus genų perdavimas, kad ląstelės taptų jautrios šviesai.

Kodėl nuotolinis valdymas svarbus neuromoksle

Įsivaizduokite eksperimentus, kuriuose vien žmogaus buvimas patalpoje nebepaveikia elgesio. Arba bendradarbiavimus, kur specialistas už tūkstančių kilometrų gali vykdyti tiksliai laiku suplanuotas intervencijas nepakilęs nuo stalo. Nuotolinis aktyvavimas sumažina gyvūnų laikymo stresą, leidžia daugia vietų darbui ir palaiko ilgalaikius tyrimus, kurie seka, kaip neuroniniai tinklai prisitaiko per savaites.

Tuo pačiu metu ši architektūra kelia praktinius ir etinius klausimus. Nuotolinis prieigos valdymas reikalauja tvirto kibersaugumo ir patikimų saugiklių. Žmogaus taikymui pakartotinai veikiančios vaistų tiekimo sistemos turi atitikti aukštus sterilumo, dozavimo tikslumo ir ilgalaikio audinių atsako standartus. Ir jei optogenetika kada nors patektų į žmogaus terapiją, saugus ir taikomas genų perdavimas bus esminis barjeras.

Techniniu požiūriu RAPIDO pasižymi tuo, kad sujungia kelias savybes, anksčiau matytas tik atskirai: užpildomos kasetės, belaidis valdymas, programuojami tvarkaraščiai ir taikoma šviesos stimuliacija. Ankstesni tos pačios grupės darbai apėmė išmaniuoju telefonu valdomus implantus pelių tyrimuose su keičiamomis vaistų kasetėmis. RAPIDO sujungia šiuos pasiekimus ir prideda interneto masto nuotolinį valdymą.

Eksperto įžvalga

Dr. Lina Morales, neuroinžinierė, nagrinėjanti implantuojamas sąsajas, pateikė subalansuotą požiūrį. „Tai svarbus žingsnis paskirstyto neuromokslo tyrimams. Techninis pasiekimas yra reikšmingas: pasiekti valdymą per mažiau nei 200 milisekundžių belaidžiu implantu per žemynus nėra paprasta. Praktiniu požiūriu tai atveria duris daugiasvietiniams eksperimentams ir sumažina laikymo iškraipymus. Tačiau kelias nuo laboratorinio instrumento iki klinikos yra ilgas. Saugumas, patvarumas ir nuotolinių intervencijų etika turi būti gairėmis bet kokiam vertimui į žmogaus taikymą.“

Išvada

RAPIDO geriausia vertinti kaip tyrimų platformą, plečiančią eksperimentinį pasiekiamumą. Tai įrankis, leidžiantis mokslininkams tirti priežasties ir pasekmės ryšius smegenų grandyse su nauju laiko lankstumu ir mažiau fizinės invazijos. Demonstracija, kad laboratorija Čikagoje galėjo suaktyvinti įrenginį Korėjoje, yra technologinis įrodymas, kuris kelia didesnius klausimus: kaip atsakingai vykdyti nuotolinį mokslą, kaip apsaugoti neurinius įrenginius ir kaip paversti elegantiškus gyvūnų tyrimus saugiomis bei efektyviomis žmogaus terapijomis. Kol kas RAPIDO suteikia tyrėjams naują priemonę hipotezėms apie smegenų funkciją ir elgesį tikrinti, primindamas, kad inžineriniai pasiekimai dažnai atsiranda anksčiau už etiką ir reglamentus, formuosiančius jų ateitį.