Επιστήμονες ανέπτυξαν ένα εμφύτευμα εγκεφάλου το οποίο είναι σχεδόν αόρατο με γυμνό μάτι. Με μήκος μόλις 370 μικρόμετρα και πλάτος 70 μικρόμετρα —περίπου οσο τρεις με τέσσερις ανθρώπινες τρίχες— η συσκευή αυτή κατέγραψε τη νευρική δραστηριότητα ποντικών για έναν ολόκληρο χρόνο, παραμένοντας πλήρως λειτουργική. Η καινοτομία αυτή θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για μακροχρόνια, μη επεμβατική παρακολούθηση του εγκεφάλου σε μικρούς οργανισμούς, οργανοειδή εγκεφάλου και βιολογικούς ιστούς.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, που δημοσίευσαν τη μελέτη στο επιστημονικό περιοδικό Nature Electronics, «η μακροχρόνια καταγραφή της νευρωνικής δραστηριότητας μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση σύνθετων συμπεριφορών και διαταραχών».
Η διεθνής ομάδα, με επικεφαλής τον Σάνγου Λι από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Nanyang (NTU) στη Σιγκαπούρη και ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Cornell στις ΗΠΑ, απέδειξε ότι αυτά τα μικροσκοπικά εμφυτεύματα μπορούν να παρακολουθούν σήματα του εγκεφάλου χωρίς να προκαλούν τις βλάβες, όπως συμβαίνει με τα μεγαλύτερα.
Όταν το φως κάνει όλη τη δουλειά
Αυτά τα εμφυτεύματα χρησιμοποιούν φως αντί για καλώδια ή ραδιοκύματα. Μια εξωτερική κόκκινη δέσμη LED τα τροφοδοτεί συνεχώς με ενέργεια, ενώ τα ίδια μεταδίδουν δεδομένα πίσω μέσω σύντομων παλμών υπέρυθρου φωτός. Σκεφτείτε το σαν μια σιωπηλή συνομιλία που διεξάγεται αποκλειστικά με φακούς. Η μέθοδος αυτή είναι κρίσιμη, καθώς τα ενσύρματα εμφυτεύματα τραυματίζουν τον εγκέφαλο όταν μετακινούνται μέσα στο κρανίο, προκαλώντας τριβή και ουλές. Τα ασύρματα συστήματα αποφεύγουν αυτό το πρόβλημα, αλλά συνήθως είναι πολύ ογκώδη.
Το εμφύτευμα διαθέτει ένα μόνο εξάρτημα που έχει διπλή λειτουργία: συλλέγει ενέργεια από το εισερχόμενο φως το 93,4% του χρόνου, ενώ τον υπόλοιπο χρόνο τον χρησιμοποιεί για να μεταδώσει δεδομένα. Στο εσωτερικό του εμφυτεύματος, εκατοντάδες μικροσκοπικά τρανζίστορ ενισχύουν τα σήματα από τους κοντινούς νευρώνες, κωδικοποιούν τις πληροφορίες και τις μετατρέπουν σε παλμούς φωτός. Όλο το σύστημα λειτουργεί με μόλις 1 μικροβάτ — ένα εκατομμυριοστό της ισχύος ενός τυπικού λαμπτήρα LED.
Η ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών τόσο μικρών ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν μέσα στον εγκέφαλο ήταν τεράστια μηχανική πρόκληση. Αρχικά, οι ερευνητές έπρεπε να ενώσουν τσιπ πυριτίου και φωτοευαίσθητους ημιαγωγούς χωρίς τα συνηθισμένα υπολείμματα που εμποδίζουν τη λειτουργία τους. Χρησιμοποίησαν μια διαδικασία θέρμανσης σε εξαιρετικά χαμηλή πίεση στους 300 °C για να καθαρίσουν και να ενισχύσουν τις συνδέσεις, ενώ για τη στεγανοποίηση πρόσθεσαν υπέρλεπτες προστατευτικές επιστρώσεις συνολικού πάχους μόλις 1,5 μικρόμετρο. Αυτό είναι περίπου το ένα πέμπτο του πλάτους ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου.
Υπήρχε, ωστόσο, ένα πρόβλημα. Το φως που διεισδύει στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα από πυρίτιο μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητα ηλεκτρικά σήματα και να αλλοιώσει τις μετρήσεις του εγκεφάλου. Έτσι, οι ερευνητές το επένδυσαν με μια εφαρμοστή επίστρωση πλατίνας, η οποία μπλοκάρει το φως, καταγράφει τη νευρική δραστηριότητα και ενισχύει τη συνολική δομή της συσκευής.
Από τα καρδιακά κύτταρα στους εγκεφάλους ποντικών
Πριν από τα πειράματα σε ζωντανούς οργανισμούς, τα εμφυτεύματα δοκιμάστηκαν σε καλλιεργημένα καρδιακά κύτταρα. Οι επιστήμονες κατέγραψαν τους παλμούς των κυττάρων και ανίχνευσαν με ακρίβεια τις αλλαγές όταν χορήγησαν φάρμακα που αύξαναν ή μείωναν τον ρυθμό τους.
Στη συνέχεια, εμφύτευσαν οκτώ συσκευές σε έξι ποντίκια, στην περιοχή του εγκεφάλου που επεξεργάζεται τα αισθητηριακά ερεθίσματα των μουστακιών τους. Χρησιμοποιώντας μια μικροσκοπική γυάλινη πιπέτα, εισήγαγαν τα εμφυτεύματα στον εγκέφαλο των τρωκτικών σε βάθος 100 έως 400 μικρομέτρων — περίπου το πάχος μερικών φύλλων χαρτιού στοιβαγμένων το ένα πάνω στο άλλο.
Όταν οι ερευνητές άγγιζαν τα μουστάκια των ποντικιών με έναν μηχανικό βραχίονα, τα εμφυτεύματα ανίχνευαν την προκύπτουσα εγκεφαλική δραστηριότητα και την μετέδιδαν οπτικά. Μια φωτοδίοδος κατέγραφε αυτούς τους υπέρυθρους παλμούς και ένα λογισμικό ανακατασκεύαζε τη δραστηριότητα των νευρώνων.
Ένας ολόκληρος χρόνος καταγραφής
Τέσσερις από τις συσκευές κατέγραψαν συντονισμένη δραστηριότητα ομάδων νευρώνων, δύο κατέγραψαν γενικότερα ηλεκτρικά πρότυπα, μία αχρηστεύθηκε και μια άλλη υπέστη ζημιά πριν την τοποθέτηση. Οι καταγραφές έδειξαν σαφείς αντιδράσεις στα ερεθίσματα που παρέμειναν ανιχνεύσιμες για πάνω από 100 ημέρες. Ακόμη και μετά από 365 ημέρες, ένα από τα εμφυτεύματα συνέχιζε να λειτουργεί — με πιο αδύναμα σήματα, αλλά σταθερή απόδοση. Μετά την αφαίρεση, τα κυκλώματα παρέμειναν πλήρως λειτουργικά, αποδεικνύοντας ότι μόνο τα ηλεκτρόδια είχαν υποστεί μικρή φθορά.
Ο εγκέφαλος σχεδόν δεν τα «αντιλήφθηκε»
Μετά από έξι μήνες, η ανάλυση του εγκεφαλικού ιστού έδειξε ελάχιστη φλεγμονή ή βλάβη. Οι νευρώνες γύρω από τα εμφυτεύματα διατηρούσαν τη μορφολογία τους, ενώ τα επίπεδα ανοσοκυττάρων ήταν παρόμοια με εκείνα περιοχών χωρίς εμφύτευμα.
Οι ερευνητές έμειναν έκπληκτοι όταν συνέκριναν τα εξάμηνα αποτελέσματα με εκείνα από οπτικές ίνες που είχαν εμφυτευτεί σε άλλα ποντίκια για μόλις τρεις μήνες. Παρά το γεγονός ότι παρέμειναν στη θέση τους για το μισό χρονικό διάστημα, οι ίνες προκάλεσαν σημαντικά μεγαλύτερη φλεγμονή. Οι νευρώνες κάτω από αυτές έδειξαν σημάδια εκφύλισης που απουσίαζαν εντελώς γύρω από τα μικροσκοπικά εμφυτεύματα.
Αυτό συμβαίνει, σύμφωνα με τους ερευνητές, γιατί τα νέα εμφυτεύματα μετατοπίζουν λιγότερο από ένα νανόλιτρο εγκεφαλικού ιστού, ενώ ακόμη και οι πιο λεπτές οπτικές ίνες καταλαμβάνουν χιλιάδες φορές μεγαλύτερο χώρο. Ο ελάχιστος αυτός όγκος συνεπάγεται μικρότερη μηχανική καταπόνηση και περιορισμένη επιφάνεια ξένου σώματος, μειώνοντας έτσι τις ανοσολογικές αντιδράσεις του οργανισμού.
Περιορισμοί και προοπτικές
Υπάρχουν φυσικά και περιορισμοί. Το εύρος ζώνης καταγράφει σήματα έως περίπου 10 kHz, το οποίο καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος της εγκεφαλικής δραστηριότητας, αλλά ενδέχεται να χάσει ορισμένα συμβάντα υψηλής συχνότητας. Κάθε συσκευή διαθέτει δύο ηλεκτρόδια καταγραφής με απόσταση 300 μικρομέτρων μεταξύ τους, επομένως δεν μπορούν να απομονώσουν σήματα από μεμονωμένους νευρώνες με την ίδια ακρίβεια όπως οι πυκνές συστοιχίες ηλεκτροδίων.
ΠΗΓΗ: Studyfinds
