Управление нейронами с помощью света, но без проводов и батарей

Управление нейронами с помощью света, но без проводов и батарей

Источник: Университет Аризоны.

Исследователи разработали новое беспроводное оптогенетическое устройство, которое способно управлять нейронами в головном мозге.  Устройство может помочь отключить болевые рецепторы и уменьшить последствия некоторых неврологических расстройств.

Преимущество оптогенетических методов перед традиционными электрофизиологическими методами изучения нейронных сетей и воздействия на них состоит в возможности высокоселективной активации либо подавления конкретных нейрональных связей. Эта селективность открывает новые возможности в терапии болезни Паркинсона, депрессии, тревожности и эпилепсии.

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 выключения участков мозга или позвоночника, которые вызывают боль, устраняя необходимость и растущую зависимость от опиоидов и других обезболивающих.

“Мы делаем эти инструменты, чтобы понять, как работают разные части мозга”, – сказал Гутруф. “Преимущество оптогенетики в том, что у вас есть специфичность клеток: вы можете нацеливаться на определенные группы нейронов и исследовать их функцию и связь в контексте всего мозга.”

В оптогенетике исследователи нагружают определенные нейроны белками, называемыми опсинами, которые преобразуют свет в электрические потенциалы, составляющие функцию нейрона. Когда исследователь освещает участок мозга, он активирует только нейроны, нагруженные опсином.

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 батарей, используя беспроводную электронику, что означало, что испытуемые могли свободно передвигаться.

Но эти устройства по прежнему имели свои ограничения они были громоздкими и часто прикреплялись явно снаружи 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 интенсивности и частоты испускаемого света, а приборы очень миниатюрные, поэтому их можно имплантировать под кожу головы. Мы также можем самостоятельно стимулировать несколько мест в мозге одного и того же субъекта, что также было невозможно раньше.”

Способность контролировать интенсивность света имеет решающее значение, поскольку она позволяет исследователям точно контролировать, на какую часть мозга воздействует свет – чем ярче свет, тем дальше он будет достигать. Кроме того, управление интенсивностью света означает управление теплом, генерируемым источниками света, и предотвращение случайной активации нейронов, которые активируются под действием тепла.

Беспроводные имплантаты без батарей питаются от внешних колеблющихся магнитных полей и, несмотря на свои расширенные возможности,
не являются значительно большими или тяжелыми, чем в 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 мозга: испытуемый поворачивал голову, и сигнал ослабевал.

«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 непрерывную стимуляцию без необходимости извлекать или заменять устройство, что приводит к менее инвазивным процедурам, чем существующие методы кардиостимуляции или стимуляции».

Устройства имплантируются с помощью простой хирургической процедуры, аналогичной операциям, при которых вставляют нейростимуляторы или «кардиостимуляторы». Они не оказывают вредного воздействия на субъектов, и их функциональные возможности не ухудшаются в организме с течением времени. Это может иметь большое значение для медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы, которые в настоящее время необходимо заменять каждые 5-15 лет.

В статье также показано, что животных, имплантированных с помощью этих устройств, можно безопасно визуализировать с помощью компьютерной томографии, или магнитно-резонансной томографии, которые позволяют лучше понять клинически значимых параметрах, такие как состояние костей и ткани.

Аннотация

Полностью имплантируемые оптико-электронные системы для безбатарейной мультимодальной работы в нейронауке

Недавно разработанные ультрамалые, полностью имплантируемые устройства для оптогенетической нейромодуляции устраняют физические привязки, связанные с традиционными установками, и избегают громоздких головных каскадов и батарей, обнаруживаемых в альтернативных беспроводных технологиях. Получающиеся в результате системы позволяют проводить поведенческие исследования без ограничений движения и позволяют проводить эксперименты в различных средах и контекстах, таких как социальные взаимодействия. Однако эти устройства являются чисто пассивными по своей электронной конструкции, что исключает любую форму активного управления или программируемости; в частности, независимая работа нескольких устройств или нескольких активных компонентов в одном устройстве, невозможна. Здесь мы сообщаем об оптоэлектронных системах, которые, благодаря разработкам в области интегральных микросхем и конструкции антенн, обеспечивают работу с низким энергопотреблением, и независимый от положения и угла, беспроводной сбор энергии с возможностью полного программирования пользователем для отдельных устройств и их наборов. Кроме того, эти интегрированные платформы имеют размеры и вес, которые значительно меньше, чем у предыдущих пассивных систем. Наши результаты качественно расширяют возможности стабилизации выходного сигнала, управления интенсивностью и мультимодальной работы, с широкими потенциальными применениями в исследованиях в области нейробиологии и, в частности, для точного анализа функции нервной системы во время неограниченных поведенческих исследований.

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.