Nové rozhraní mozek-stroj (BMI) využívá světlo k „mluvení“ do mozku, ukazují experimenty na myších.
Minimálně invazivní bezdrátové zařízení, které je umístěno pod pokožkou hlavy, přijímá vstupy ve formě světelných vzorů, které jsou pak přenášeny do geneticky modifikovaných neuronů v mozkové tkáni.
V nové studii se tyto neurony aktivovaly, jako by reagovaly na senzorické informace z očí myší. Myši se naučily přiřazovat tyto různé vzorce mozkové aktivity k provádění konkrétních úkolů – jmenovitě k odhalování umístění chutného občerstvení v sérii laboratorních experimentů.
Zařízení představuje krok směrem k nové generaci BMI, které budou schopny přijímat umělé vstupy – v tomto případě LED světlo – nezávisle na typických senzorických kanálech, na které se mozek spoléhá, jako jsou oči. To by vědcům pomohlo vytvořit zařízení, která se propojují s mozkem, aniž by vyžadovala vlečné dráty nebo objemné vnější části.
„Tato technologie je velmi mocným nástrojem pro provádění základního výzkumu,“ a mohla by řešit problémy lidského zdraví v dlouhodobém horizontu, řekl John Rogersvýzkumník v oblasti bioelektroniky na Northwestern University a hlavní autor studie, která byla publikována 8. prosince v časopise Příroda Neuroscience.
Obcházení smyslového systému
Zařízení, které je menší než lidský ukazováček, je měkké a flexibilní, takže se přizpůsobí zakřivení lebky. Obsahuje 64 malých LED diod, elektronický obvod, který napájí světla, a anténu přijímače. Kromě toho externí anténa ovládá LED diody pomocí komunikace v blízkém poli (NFC) – elektromagnetických polí pro komunikaci na krátkou vzdálenost, jak je tomu u bezkontaktních plateb kartou.
Kompaktní zařízení je navrženo tak, aby bylo umístěno pod kůži, spíše než aby bylo implantováno přímo do mozku. „Promítá světlo přímo do mozku (přes lebku) a odpověď mozku na toto světlo je generována genetickou modifikací v neuronech,“ řekl Rogers Live Science.
Mozkové buňky normálně nereagují na světlo, které na ně svítí, takže k tomu je nutná genová úprava.
„Genetická modifikace vytváří iontové kanály citlivé na světlo,“ vysvětlil Rogers. Když jsou tyto kanály aktivovány světlem, umožňují nabitým částicím proudit do mozkových buněk a aktivovat signál, který je poté odeslán do dalších buněk. „Tímto mechanismem vytváříme citlivost na světlo přímo v samotné mozkové tkáni,“ řekl. Genetická modifikace mozkových buněk byla provedena pomocí virového vektoru, neškodného viru vyrobeného tak, aby dodal požadované genetické vylepšení do specifických buněk v různých oblastech mozku.
Využití světla k řízení aktivity geneticky modifikovaných buněk se nazývá optogenetikaa je to relativně nová věda. V minulé prácivýzkumníci použili podobný přístup k aktivaci pouze jedné skupiny mozkových buněk, ale nové zařízení jim umožnilo přepínat aktivitu mnoha neuronů v mozku.
„(Genetická modifikace) není pouze stimulací části mozku, která je přirozeně zodpovědná za vizuální vnímání, ale napříč celým povrchem kůry,“ řekl Rogers. Vysílání různých vzorců osvětlení tedy vytváří odpovídající rozložení nervové aktivity. „Je to, jako bychom mohli promítat sérii obrazů – skoro jako hrát film – přímo do mozku ovládáním () sekvence vzorů.“
Výzkumníci testovali implantát na myších tak, že mu bezdrátově dali pokyn, aby produkoval různé vzorované záblesky světla. Myši byly trénovány, aby reagovaly na každý vzor specifickým chováním, což naznačuje, že dokážou rozlišovat mezi přenášenými vzory. S každým typem signálu museli jít do konkrétní dutiny ve zdi a za správnou volbu dostali jako odměnu cukrovou vodu.
Bin Heneuroinženýrský výzkumník z Carnegie Mellon University, který se na studii nepodílel, to nazval novou technikou pro použití světla k ladění obvodů v mozku. „Může mít různé aplikace v neurovědním výzkumu pomocí zvířecích modelů… a dále,“ řekl.
Vědci například vidí potenciál tohoto zařízení v budoucí protetice. Aplikace mohou zahrnovat přidávání pocitů, jako je dotyk nebo tlak, na protetické končetiny nebo vysílání vizuálních nebo sluchových signálů do zrakových nebo sluchových protéz.
„Optogenetické techniky jsou teprve začíná být používán u lidí„Používání světla má ohromné výhody, protože nepotřebujete narušit mozkovou tkáň.“ Můžete použít různé vlnové délky světla k ovládání různých oblastí mozku.“
Rogers řekl, že z technologického hlediska by platforma mohla pokrýt mnohem větší oblasti mozku a obsahovat více mikro-LED. Pro podporu většího zařízení by však museli přehodnotit požadavky na napájení. Technicky by to mělo fungovat u lidí jako u myší, ale než se pokusí o nějaké testy na lidech, bude potřeba další výzkum.
„Největší překážka je kolem regulačního schválení genetické modifikace,“ řekl.
