Οι νευρικές ώσεις μετατρέπονται σε φως για προσθετικά επόμενης γενιάς

Οι βιοϊατρικοί και ηλεκτρολόγοι μηχανικοί στο UNSW Sydney ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο μέτρησης της νευρικής δραστηριότητας χρησιμοποιώντας φως – αντί για ηλεκτρισμό – που θα μπορούσε να οδηγήσει σε πλήρη αναμόρφωση των ιατρικών τεχνολογιών, όπως οι προσθέσεις που λειτουργούν με νεύρα και οι διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής.

Ο καθηγητής François Ladouceur, της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τηλεπικοινωνιών του UNSW, λέει ότι η διεπιστημονική ομάδα μόλις απέδειξε στο εργαστήριο αυτό που απέδειξε θεωρητικά λίγο πριν την πανδημία: ότι οι αισθητήρες που κατασκευάζονται με χρήση υγρών κρυστάλλων και ενσωματωμένων τεχνολογιών οπτικής – που ονομάζονται «optrodes» – μπορούν να καταγράψουν νευρικές ώσεις σε σώμα ζώου ζώου.

Όχι μόνο αυτά τα optrode λειτουργούν καλά με τα συμβατικά ηλεκτρόδια – τα οποία χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να ανιχνεύσουν μια νευρική ώθηση – αλλά αντιμετωπίζουν επίσης «πολύ δύσκολα προβλήματα που οι ανταγωνιστικές τεχνολογίες δεν μπορούν να λύσουν», λέει ο καθηγητής Ladouceur.

«Πρώτον, είναι πολύ δύσκολο να συρρικνωθεί το μέγεθος της διεπαφής χρησιμοποιώντας συμβατικά ηλεκτρόδια, έτσι ώστε χιλιάδες από αυτά να μπορούν να συνδεθούν με χιλιάδες νεύρα σε μια πολύ μικρή περιοχή.

“Ένα από τα προβλήματα όταν συρρικνώνετε χιλιάδες ηλεκτρόδια και τα βάζετε όλο και πιο κοντά μεταξύ τους για να συνδεθούν με τον βιολογικό ιστό είναι ότι αυξάνεται η ατομική τους αντίσταση, γεγονός που υποβαθμίζει την αναλογία σήματος προς θόρυβο, επομένως έχουμε πρόβλημα στην ανάγνωση του σήματος. Καλούμε αυτή η «αναντιστοιχία σύνθετης αντίστασης».

“Ένα άλλο πρόβλημα είναι αυτό που ονομάζουμε “crosstalk” – όταν συρρικνώνετε αυτά τα ηλεκτρόδια και τα φέρνετε πιο κοντά, αρχίζουν να μιλούν ή να επηρεάζουν το ένα το άλλο λόγω της εγγύτητάς τους.”

«Το πραγματικό πλεονέκτημα της προσέγγισής μας είναι ότι μπορούμε να κάνουμε αυτή τη σύνδεση πολύ στενή στον οπτικό τομέα και δεν πληρώνουμε το τίμημα που πρέπει να πληρώσετε στον ηλεκτρικό τομέα», λέει ο καθηγητής Ladouceur.

Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Neural Engineering, ο καθηγητής Ladouceur και συνεργάτες ερευνητές στο UNSW ήθελαν να δείξουν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν optrodes για να μετρήσουν με ακρίβεια τα νευρικά ερεθίσματα καθώς ταξιδεύουν κατά μήκος μιας νευρικής ίνας σε ένα ζώο.

Ο καθηγητής Scientia Nigel Lovell, ο οποίος διευθύνει τη Σχολή Βιοϊατρικής Μηχανικής και είναι διευθυντής του Ινστιτούτου Μηχανικής Υγείας του Ιδρύματος Tyree, ήταν μέρος της ερευνητικής ομάδας που προσπάθησε να το αποδείξει αυτό στο εργαστήριο.

Λέει ότι η ομάδα προσάρτησε ένα οπτρό στο ισχιακό νεύρο ενός αναισθητοποιημένου ζώου. Στη συνέχεια, το νεύρο διεγέρθηκε με ένα μικρό ρεύμα και τα νευρικά σήματα καταγράφηκαν με το optrode. Στη συνέχεια έκαναν το ίδιο χρησιμοποιώντας ένα συμβατικό ηλεκτρόδιο και έναν βιοενισχυτή.

«Δείξαμε ότι οι νευρικές αποκρίσεις ήταν ουσιαστικά οι ίδιες», λέει ο καθηγητής Lovell. “Υπάρχει ακόμα περισσότερος θόρυβος στα οπτικά, αλλά αυτό δεν αποτελεί έκπληξη, καθώς πρόκειται για ολοκαίνουργια τεχνολογία και μπορούμε να δουλέψουμε με αυτήν. Αλλά στο τέλος, θα μπορούσαμε να αναγνωρίσουμε τις ίδιες ιδιότητες μετρώντας ηλεκτρικά ή οπτικά.”

Νέα αυγή για προθέσεις

Μέχρι στιγμής, η ομάδα μπόρεσε να δείξει ότι τα νευρικά ερεθίσματα – τα οποία είναι σχετικά αδύναμα και μετρώνται σε μικροβολτ – μπορούν να καταγραφούν με την τεχνολογία optrode. Το επόμενο βήμα θα είναι η κλιμάκωση του αριθμού των optrodes ώστε να είναι σε θέση να χειρίζονται πολύπλοκα δίκτυα νευρικού και διεγέρσιμου ιστού.

Prof. Ο Ladouceur λέει ότι στην αρχή του έργου, οι συνάδελφοί του αναρωτήθηκαν, πόσες νευρικές συνδέσεις χρειάζεται ένας άνδρας ή μια γυναίκα για να χειριστεί ένα χέρι με έναν ορισμένο βαθμό φινέτσας;

«Ότι μπορείς να σηκώσεις ένα αντικείμενο, ότι μπορείς να κρίνεις την τριβή, ότι μπορείς να ασκήσεις τη σωστή πίεση για να το κρατήσεις, ότι μπορείς να κινηθείς από το Α στο Β με ακρίβεια, ότι μπορείς να πας γρήγορα και αργά – όλα αυτά τα πράγματα δεν τα σκεφτόμαστε καν όταν κάνουμε αυτές τις ενέργειες. Η απάντηση δεν είναι τόσο προφανής, έπρεπε να ψάξουμε αρκετά στη βιβλιογραφία, αλλά πιστεύουμε ότι είναι περίπου 5.000 έως 10.000 ενώσεις».

Με άλλα λόγια, μεταξύ του εγκεφάλου και του χεριού σας υπάρχει μια δέσμη νεύρων που ταξιδεύουν προς τα κάτω από τον φλοιό και τελικά χωρίζονται στα 5.000 έως 10.000 νεύρα που ελέγχουν τις ευαίσθητες λειτουργίες του χεριού σας.

Εάν ένα τσιπ με χιλιάδες οπτικές συνδέσεις μπορούσε να συνδεθεί στον εγκέφαλό σας ή κάπου στο χέρι σας πριν αποχωριστεί η δέσμη των νεύρων, ένα προσθετικό χέρι θα μπορούσε ενδεχομένως να λειτουργήσει με την ίδια περίπου ικανότητα με ένα βιολογικό.

Αυτό είναι το όνειρο, ούτως ή άλλως, και ο καθηγητής Ladouceur λέει ότι είναι πιθανώς δεκαετίες περαιτέρω έρευνας πριν γίνει πραγματικότητα. Αυτό θα περιλαμβάνει την ανάπτυξη της ικανότητας των optrodes να είναι αμφίδρομα. Όχι μόνο θα λάμβαναν και θα ερμήνευαν σήματα από τον εγκέφαλο καθ’ οδόν προς το σώμα, αλλά θα μπορούσαν να λάβουν ανατροφοδότηση με τη μορφή νευρικών παρορμήσεων που επιστρέφουν στον εγκέφαλο.

Το μακρύ παιχνίδι: διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής

Οι νευρικές προθέσεις δεν είναι ο μόνος χώρος που η τεχνολογία optrode έχει τη δυνατότητα να επαναπροσδιορίσει. Οι άνθρωποι έχουν από καιρό φαντασιωθεί για την ενσωμάτωση τεχνολογίας και μηχανημάτων στο ανθρώπινο σώμα είτε για να το επισκευάσουν είτε να το βελτιώσουν.

Κάποια από αυτά είναι πλέον πραγματικότητα, όπως τα κοχλιακά εμφυτεύματα, οι βηματοδότες και οι καρδιακοί απινιδωτές, για να μην αναφέρουμε τα έξυπνα ρολόγια και άλλες συσκευές παρακολούθησης που παρέχουν συνεχή βιοανάδραση.

Αλλά ένας από τους πιο φιλόδοξους στόχους στη βιοϊατρική μηχανική και τη νευροεπιστήμη είναι η διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής, η οποία στοχεύει να συνδέσει τον εγκέφαλο όχι μόνο με το υπόλοιπο σώμα, αλλά ενδεχομένως και με τον κόσμο.

«Ο τομέας των νευρωνικών διεπαφών είναι ένα απίστευτα συναρπαστικό πεδίο και θα αποτελέσει αντικείμενο έντονης έρευνας και ανάπτυξης την επόμενη δεκαετία», λέει ο καθηγητής Lovell.

Αν και αυτό είναι περισσότερο φαντασία παρά γεγονός αυτή τη στιγμή, πολλές εταιρείες βιοτεχνολογίας το λαμβάνουν πολύ σοβαρά. Ο επιχειρηματίας Elon Musk ήταν ένας από τους συνιδρυτές της Neuralink, η οποία στοχεύει στη δημιουργία διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή με τη δυνατότητα να βοηθήσει τα άτομα με παράλυση, καθώς και να ενσωματώσει την τεχνητή νοημοσύνη στις δραστηριότητες του εγκεφάλου μας.

Η προσέγγιση Neuralink χρησιμοποιεί συμβατικά ηλεκτρόδια καλωδίων στις συσκευές της, επομένως πρέπει να ξεπεράσει την αναντιστοιχία σύνθετης αντίστασης και τη διασταύρωση – μεταξύ πολλών άλλων προκλήσεων – εάν πρόκειται να αναπτύξει συσκευές που φιλοξενούν χιλιάδες, αν όχι εκατομμύρια, συνδέσεις μεταξύ του εγκεφάλου και της εμφυτευμένης συσκευής. Πρόσφατα αναφέρθηκε ότι ο Musk ήταν απογοητευμένος με τον αργό ρυθμό ανάπτυξης της τεχνολογίας.

Prof. Ο Ladouceur λέει ότι ο χρόνος θα δείξει εάν η Neuralink και οι ανταγωνιστές της θα καταφέρουν να άρουν αυτά τα εμπόδια. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι εμφυτεύσιμες, in vivo συσκευές που καταγράφουν τη νευρική δραστηριότητα περιορίζονται επί του παρόντος σε περίπου 100 ηλεκτρόδια, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος.

«Δεν λέω ότι είναι αδύνατο, αλλά γίνεται πολύ προβληματικό αν τηρείς τα τυπικά ηλεκτρόδια», λέει ο καθηγητής Ladouceur.

“Δεν έχουμε αυτά τα προβλήματα στον οπτικό τομέα. Στις συσκευές μας, εάν υπάρχει νευρική δραστηριότητα, η παρουσία του επηρεάζει τον προσανατολισμό του υγρού κρυστάλλου τον οποίο μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να ποσοτικοποιήσουμε ρίχνοντας φως σε αυτόν. Αυτό σημαίνει ότι δεν αντλούν ρεύμα από τον βιολογικό ιστό όπως κάνουν τα συρμάτινα ηλεκτρόδια. Και έτσι ο βιοαισθητήρας μπορεί να γίνει πολύ πιο αποτελεσματικά».

Τώρα που οι ερευνητές έδειξαν ότι η μέθοδος optrode λειτουργεί in vivo, σύντομα θα δημοσιεύσουν έρευνα που θα δείχνει ότι η τεχνολογία optrode είναι αμφίδρομη – ότι όχι μόνο μπορεί να διαβάσει νευρικά σήματα, αλλά και να τα γράψει.

Αναφορά: Abed AA, Wei Y, Almasri RM, et al. Ηλεκτροοπτικοί μετατροπείς υγρών κρυστάλλων για εφαρμογές ηλεκτροφυσιολογικής ανίχνευσης. J Neural Eng. 2022;19(5):056031. doi: 10.1088/1741-2552/ac8ed6

Αυτό το άρθρο έχει αναδημοσιευτεί από τα παρακάτω υλικά. Σημείωση: το υλικό μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για το μήκος και το περιεχόμενο. Για περισσότερες πληροφορίες, συμβουλευτείτε την αναφερόμενη πηγή.

Leave a Comment