Для большинства людей потеря таких чувств, как зрение, является разрушительной, поскольку она не только усиливает уязвимость, но и ухудшает качество жизни. Хотя протезы могут быть функционально полезными, они не могут заменить сенсорную информацию, такую как текстура, влажность и плотность, которую наша кожа так легко передает в мозг.
Вот почему первое в своем роде оптогенетическое устройство из Северо-Западного университета, расположенного недалеко от Чикаго, вселяет такую надежду. Примерно размером с ключ от дома и тоньше монеты, новый беспроводной нейроимплантат может устранить необходимость в некоторых хирургических вмешательствах на черепе, связанных с распиливанием и сверлением, благодаря минимально инвазивной имплантации под кожу головы. Нейробиологи могут приложить мягкий, гибкий «нейро-ключ» к поверхности черепа, где он направляет активирующий нейроны световой луч непосредственно через череп в кору головного мозга, полностью минуя эволюционно развитые сенсорные каналы.
В своей готовящейся к публикации статье в журнале Nature Neuroscience ведущий автор и научный сотрудник Минчжэн У и его коллеги описывают, как в экспериментах на моделях мозга мышей нейро-ключ точно активировал группы нейронов, модифицированные геном светочувствительных водорослей. Мыши, которые не могли видеть, слышать или чувствовать, быстро научились интерпретировать световые сигналы для выполнения различных задач.
«Наш мозг постоянно преобразует электрическую активность в ощущения, и эта технология дает нам возможность напрямую взаимодействовать с этим процессом», — сказала руководитель эксперимента Евгения Козоровицкая, профессор нейробиологии имени Ирвинга М. Клотца в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и член Института химии жизненных процессов. «Эта платформа позволяет нам создавать совершенно новые сигналы, чтобы увидеть, как мозг учится их использовать. Она немного приближает нас к восстановлению утраченных чувств после травм или болезней, а также открывает окно в основные принципы, позволяющие нам воспринимать мир».
Поскольку для работы оптогенетических имплантатов необходима генетическая модификация нейронов, они пока не одобрены для использования у человека. Однако для людей, потерявших способность видеть, слышать или чувствовать, нейро-ключ дает надежду на радикальные перемены и улучшение качества жизни, в том числе благодаря устройствам, способным передавать информацию, стимулирующую те же нейроны, которые получают информацию от наших глаз, ушей и кожи. Связанные с этим области применения могут включать реабилитацию – особенно после неврологических последствий инсульта – и кибернетическое управление роботизированными руками, кистями, ногами и ступнями.
А в качестве облегчения от одного из самых страшных проклятий, которые только можно себе представить – хронической боли – нейро-ключ может предложить модуляцию боли без затрат, побочных эффектов и риска привыкания, связанных с опиоидами и системными препаратами.
Хотя в своей первой статье команда использовала всего один микросветодиод, Ву отметил, что новый подход с массивом из 64 микросветодиодов позволяет создавать практически бесконечное количество паттернов, различающихся по «частоте, интенсивности и временной последовательности». Управление каждым светодиодом в реальном времени позволяет исследователям передавать эти сложные световые паттерны в мозг, которые могут имитировать сенсорный опыт распределенной нейронной активности, а не узкой, локализованной активации.
«Разработка этого устройства потребовала от нас переосмысления способов доставки направленной стимуляции в мозг в формате, который был бы одновременно минимально инвазивным и полностью имплантируемым», — сказал Джон А. Роджерс, директор. Северо-Западный университет Институт биоэлектроники им. Луи Симпсона. Пионер биоэлектроники руководил разработкой технологий для этого проекта, а также является профессором материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и нейрохирургии в Инженерной школе Маккормика и Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета.
«Благодаря интеграции мягкой, гибкой матрицы из [до 64] микросветодиодов, каждый из которых имеет размер, равный диаметру одного человеческого волоса, с модулем управления с беспроводным питанием, — говорит Роджерс, — мы создали систему, которую можно программировать в режиме реального времени, оставаясь при этом полностью под кожей, без какого-либо заметного влияния на естественное поведение животных».
В отличие от открытого проводного устройства на этом изображении, беспроводной нейро-ключ, устанавливаемый под кожу головы, позволяет совершать обычные движения, а в будущем, применительно к людям, обеспечит «невидимое» использование, защищая медицинскую конфиденциальность. The New York Times / CC 2.5
По словам Роджерса, эти конструктивные особенности нейроключа представляют собой «значительный шаг вперед в создании устройств, которые могут взаимодействовать с мозгом без необходимости использования громоздких проводов или внешнего оборудования», и представляют ценность не только для нейробиологических исследований, но и потенциально могут улучшить здоровье человека.
Оптогенетические технологии не являются чем-то новым; действительно, как сообщал New Atlas , Козоровицкий и Роджерс в 2021 году разработали программируемый беспроводной имплантат без батареек для дистанционного управления взаимодействием мышей. Но многим подобным устройствам требовались оптоволоконные провода, которые ограничивали движения животных, тогда как новый нейро-ключ позволяет мышам двигаться нормально.
Поскольку имплантация скрывает устройство, а не выставляет его напоказ, как «мозговой электрод» безумного ученого, будущие пользователи будут защищены от реакции окружающих, что является важнейшим компонентом медицинских технологий, защищающим частную жизнь и достоинство человека, одновременно восстанавливая его полноценную функциональность.
