Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ στις ΗΠΑ, σε συνεργασία με άλλους επιστήμονες, δημιούργησαν ένα εξαιρετικά μικρό νευρωνικό εμφύτευμα σε μέγεθος ενός κόκκου αλατιού που μπορεί να μεταδίδει ασύρματα δεδομένα εγκεφαλικής δραστηριότητας από ζωντανό ζώο για πάνω από ένα χρόνο.
Η πρόοδος αυτή δείχνει ότι τα μικροηλεκτρονικά συστήματα μπορούν να λειτουργούν σε κλίμακα πολύ μικρότερη από ό,τι ήταν προηγουμένως εφικτό. Το επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο σε νέες προσεγγίσεις για μακροχρόνια παρακολούθηση της νευρικής δραστηριότητας, βιο-ενσωματωμένους αισθητήρες και συναφείς τεχνολογίες.
Η συσκευή, γνωστή ως μικροκλίμακας οπτοηλεκτρονικό ασύρματο ηλεκτρόδιο (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. Το MOTE έχει μήκος περίπου 300 μικρόμετρα και πλάτος 70 μικρόμετρα.
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.
«Απ’ όσο γνωρίζουμε, πρόκειται για το μικρότερο νευρικό εμφύτευμα που καταγράφει ηλεκτρική δραστηριότητα στον εγκέφαλο και την μεταδίδει ασύρματα», δήλωσε ο Μόλναρ. «Χρησιμοποιώντας διαμόρφωση θέσης παλμού για την κωδικοποίηση- την ίδια που χρησιμοποιείται στις οπτικές επικοινωνίες για δορυφόρους- μπορούμε να επικοινωνούμε με ελάχιστη ενέργεια και να λαμβάνουμε τα δεδομένα οπτικά με επιτυχία» εξήγησε.
Νέες δυνατότητες για την παρακολούθηση του εγκεφάλου και του σώματος
Οι ερευνητές δοκίμασαν πρώτα το MOTE σε κυτταρικές καλλιέργειες και στη συνέχεια το εμφύτευσαν στον φλοιό του εγκεφάλου ποντικών, την περιοχή που επεξεργάζεται τις αισθητηριακές πληροφορίες από τα μουστάκια. Κατά τη διάρκεια ενός έτους, το εμφύτευμα κατέγραψε επιτυχώς ηλεκτρικούς παλμούς νευρώνων και ευρύτερα πρότυπα συνάψεων, ενώ τα ποντίκια παρέμειναν υγιή και δραστήρια.
«Ένα από τα θέματα που έπρεπε να αντιμεαντιμετωπίσουμε ήταν ότι τα συμβατικά ηλεκτρόδια και οι οπτικές ίνες μπορούν να ερεθίσουν τον εγκέφαλο», εξήγησε ο Μόλναρ. «Ο ιστός κινείται γύρω από το εμφύτευμα και μπορεί να ενεργοποιήσει ανοσολογική αντίδραση. Ο στόχος μας ήταν να κάνουμε τη συσκευή αρκετά μικρή ώστε να ελαχιστοποιείται αυτό το πρόβλημα, ενώ παράλληλα να καταγράφει τη δραστηριότητα ταχύτερα από τα συστήματα απεικόνισης, χωρίς να χρειάζεται γενετική τροποποίηση των νευρώνων» σημείωσε ο ερευνητής.
Ανέφερε επίσης ότι η σύσταση των υλικών του MOTE θα μπορούσε να επιτρέψει τη συλλογή ηλεκτρικών καταγραφών κατά τη διάρκεια μαγνητικής τομογραφίας (MRI), κάτι που δεν είναι πρακτικά εφικτό με τα σημερινά εμφυτεύματα. Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να προσαρμοστεί σε άλλους ιστούς, όπως ο νωτιαίος μυελός, και να συνδυαστεί με μελλοντικές καινοτομίες, όπως η ενσωμάτωση οπτοηλεκτρονικών συστημάτων σε τεχνητές πλάκες κρανίου.
Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό NatureElectronics.