Исследователи из Университета Брауна создали новый тип оптоэлектронного имплантируемого устройства для доступа к микросхемам мозга, синергизируя технику, которая позволяет ученым контролировать активность клеток мозга с помощью импульсов света. Изобретение, описанное в журнале Nature Methods, представляет собой кортикальный микрозонд, который может оптически стимулировать несколько нейронных целей с помощью определенных паттернов в микрометровом масштабе, одновременно регистрируя эффекты этой стимуляции в нижележащих нейронных микросхемах, представляющих интерес, с точностью до миллисекунды.
"Мы думаем, что это открывалка для окон," сказал Джунхи Ли, старший научный сотрудник лаборатории профессора Арто Нурмикко в Инженерной школе Брауна и один из ведущих авторов новой статьи. "Возможность быстро возмущать нейронные цепи в соответствии с определенными пространственными паттернами и в то же время реконструировать, как задействованные схемы возмущены, на наш взгляд, является существенным достижением."
Впервые представленная примерно в 2005 году, оптогенетика расширила возможности ученых, стремящихся понять функцию мозга на нейронном уровне. Этот метод включает в себя генно-инженерные нейроны для экспрессии светочувствительных белков на своих мембранах. Когда эти белки экспрессируются, импульсы света могут использоваться для стимулирования или подавления активности в этих конкретных клетках. Этот метод дает исследователям в принципе беспрецедентную возможность контролировать определенные клетки мозга в определенное время.
Но до сих пор одновременная оптогенетическая стимуляция и быстрая регистрация активности мозга в нескольких точках в интересующей микросхеме мозга были затруднительны. Для этого требуется устройство, которое может как генерировать пространственную структуру световых импульсов, так и обнаруживать динамические модели электрических ревербераций, генерируемых возбужденной клеточной активностью. Предыдущие попытки сделать это включали устройства, которые собирали вместе отдельные компоненты для излучения света и электрического зондирования. Такие зонды были физически громоздкими и не подходили для вставки в мозг. А поскольку излучатели и датчики обязательно находились на расстоянии сотен микрометров друг от друга, на значительном расстоянии, связь между стимуляцией и записанным сигналом была неоднозначной.
Новое компактное интегрированное устройство, разработанное лабораторией Нурмикко, начинается с уникальных преимуществ, которыми обладает так называемый полупроводник с широкой запрещенной зоной, называемый оксидом цинка. Он оптически прозрачен, но может легко проводить электрический ток.
"Очень немногие материалы обладают этой парой физических свойств," Ли сказал. "Комбинация позволяет как стимулировать, так и обнаруживать одним и тем же материалом."
Джунхи Ли вместе с доцентом-исследователем Илкером Озденом и профессором Юн-Гю Сон из Сеульского национального университета в Корее совместно с Nurmikko разработали новый метод микротехнологии, чтобы сформировать из материала монолитный кристалл площадью всего несколько миллиметров с штифтом размером шестнадцать микрометров. нравиться "оптоэлектроды," Каждый из них способен излучать световые импульсы и определять электрический ток. Набор оптоэлектродов позволяет устройству подключаться к нейронным микросхемам, состоящим из множества нейронов, а не отдельных нейронов.
Такая способность стимулировать и записывать на сетевом уровне в пространственных и временных масштабах, в которых они работают, является ключевой, говорит Нурмикко. Функции мозга управляются нейронными цепями, а не отдельными нейронами.
"Например, когда я двигаю рукой, это пример действия, вызванного определенной сетевой активностью в мозгу," он сказал. "Наш новый подход к устройствам дает ученым и инженерам инструмент для применения всей мощи оптогенетики как средства нейронной стимуляции, обеспечивая при этом средства для считывания активности нарушенных сетей в нескольких точках с высокой пространственной точностью и временным разрешением."
Озден провел первоначальное тестирование устройства на моделях грызунов. Исследователи изучали, в какой степени разная интенсивность света может стимулировать сетевую активность. Тесты показали, что увеличение оптической мощности привело к четкому привлечению нейронных цепей, обнаружив функциональную связность в целевой сети.
"Мы исследовали большой диапазон оптической силы – более трех порядков – и при этом мы получили ряд сетевых ответов, в частности, мы смогли воспроизвести паттерн активности, естественным образом возникающий в мозгу." Озден сказал. "Это дало нам новое представление о том, как оптогенетика работает на сетевом уровне. Это воодушевляет нас идти вперед и расширять репертуар и применение технологий устройства."
Группа Нурмикко вместе с лабораторией Song в Сеуле планируют продолжить дальнейшее развитие устройства, в конечном итоге включив доступ через беспроводные средства. Их следующие шаги предполагают использование новой технологии устройства в качестве хронического имплантата у нечеловеческих приматов в потенциально сотнях точек и, в зависимости от прогресса мировых исследований в области оптогенетики, возможно, даже в один прекрасный день на людях.
"По крайней мере, здесь есть первые строительные блоки," Нурмикко рассказал, кто задумал идею вместе со своим корейским коллегой Сонгом.