Ένα νευρωνικό εμφύτευμα στο μέγεθος κόκκου αλατιού μπορεί να καταγράφει και να μεταδίδει ασύρματα εγκεφαλική δραστηριότητα για μεγάλα χρονικά διαστήματα.
Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες του Πανεπιστημίου Cornell στις ΗΠΑ δημιούργησαν ένα εξαιρετικά μικρό νευρικό εμφύτευμα με μέγεθος μικρότρο από ένα κόκκο αλατιού και να μεταδίδει ασύρματα δεδομένα εγκεφαλικής δραστηριότητας από ζωντανό ζώο για περισσότερο από έναν χρόνο.
Το επίτευγμα που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Electronics» δείχνει ότι τα μικροηλεκτρονικά συστήματα μπορούν να λειτουργούν και να προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες σε κλίμακα πολύ μικρότερη από ό,τι θεωρούνταν μέχρι σήμερα δυνατό. Το επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο για νέες προσεγγίσεις στη μακροχρόνια παρακολούθηση της νευρικής δραστηριότητας σε βιοενσωματωμένους αισθητήρες και σε συναφείς τεχνολογίες.
Η ακραία σμίκρυνση των νευρικών εμφυτευμάτων
Η συσκευή, γνωστή ως μικροκλίμακας οπτοηλεκτρονικό ασύρματο ηλεκτρόδιο ή MOTE, τροφοδοτείται από κόκκινο και υπέρυθρο φως λέιζερ το οποίο μπορεί να διέρχεται με ασφάλεια μέσα από τον εγκεφαλικό ιστό. Στέλνει τις πληροφορίες πίσω εκπέμποντας σύντομους παλμούς υπέρυθρου φωτός που μεταφέρουν κωδικοποιημένα ηλεκτρικά σήματα από τον εγκέφαλο.
Μια ημιαγωγική δίοδος κατασκευασμένη από αρσενίδιο του αλουμινίου και του γαλλίου συλλέγει το εισερχόμενο φως για να τροφοδοτήσει το κύκλωμα και παράλληλα παράγει το εξερχόμενο σήμα. Το σύστημα υποστηρίζεται από έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου και έναν οπτικό κωδικοποιητή οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι με την ίδια τεχνολογία ημιαγωγών που χρησιμοποιείται συνήθως στα σύγχρονα μικροτσίπ.
Το MOTE έχει μήκος περίπου 300 μικρόμετρα και πλάτος 70 μικρόμετρα. «Απ’ όσο γνωρίζουμε αυτό είναι το μικρότερο νευρικό εμφύτευμα που μπορεί να μετρά ηλεκτρική δραστηριότητα στον εγκέφαλο και να τη μεταδίδει ασύρματα. Χρησιμοποιώντας διαμόρφωση θέσης παλμού για την κωδικοποίηση, τον ίδιο κώδικα που χρησιμοποιείται για παράδειγμα στις οπτικές επικοινωνίες δορυφόρων μπορούμε να καταναλώνουμε ελάχιστη ενέργεια για την επικοινωνία και παρ’ όλα αυτά να λαμβάνουμε επιτυχώς τα δεδομένα οπτικά» αναφέρουν οι ερευνητές.
Νέες δυνατότητες για την παρακολούθηση του εγκεφάλου και του σώματος
Οι ερευνητές δοκίμασαν το MOTE αρχικά σε καλλιέργειες κυττάρων και στη συνέχεια το εμφύτευσαν στον βαρελοειδή φλοιό εγκεφάλου ποντικών την περιοχή που επεξεργάζεται τις αισθητηριακές πληροφορίες από τα μουστάκια. Κατά τη διάρκεια ενός έτους το εμφύτευμα κατέγραφε με επιτυχία αιχμές ηλεκτρικής δραστηριότητας από νευρώνες, καθώς και ευρύτερα πρότυπα συναπτικής δραστηριότητας, ενώ τα ποντίκια παρέμειναν υγιή και δραστήρια.
«Ένα από τα κίνητρα για αυτή τη δουλειά είναι ότι τα παραδοσιακά ηλεκτρόδια και οι οπτικές ίνες μπορούν να ερεθίσουν τον εγκέφαλο. Ο ιστός κινείται γύρω από το εμφύτευμα και μπορεί να προκαλέσει ανοσολογική αντίδραση. Στόχος μας ήταν να κάνουμε τη συσκευή αρκετά μικρή ώστε να ελαχιστοποιείται αυτή η διαταραχή, ενώ ταυτόχρονα να καταγράφεται η εγκεφαλική δραστηριότητα πιο γρήγορα από τα συστήματα απεικόνισης και χωρίς να απαιτείται γενετική τροποποίηση των νευρώνων» λέει ο Αλιόσα Μόλναρ καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων και Μηχανικών Υπολογιστών του Cornell.
Ο Μόλναρ λέει ότι η σύσταση των υλικών του MOTE θα μπορούσε να επιτρέψει τη συλλογή ηλεκτρικών καταγραφών από τον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια εξετάσεων μαγνητικής τομογραφίας,κάτι που σήμερα είναι σε μεγάλο βαθμό ανέφικτο με τα υπάρχοντα εμφυτεύματα. Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να προσαρμοστεί για χρήση σε άλλους ιστούς όπως ο νωτιαίος μυελός και ακόμη να συνδυαστεί με μελλοντικές καινοτομίες, όπως οπτοηλεκτρονικά ενσωματωμένα σε τεχνητές πλάκες κρανίου.
