Neurostimulatory, znane również jako rozruszniki mózgu, wysyłają impulsy elektryczne do określonych obszarów mózgu za pomocą specjalnych elektrod. Szacuje się, że około 200 000 osób na całym świecie korzysta obecnie z tej technologii, w tym osoby cierpiące na chorobę Parkinsona lub patologiczne skurcze mięśni. Według Mehmeta Fatiha Yanika, profesora neurotechnologii na ETH w Zurychu, dalsze badania znacznie poszerzą potencjalne zastosowania: zamiast używać ich wyłącznie do stymulacji mózgu, elektrody można również wykorzystać do precyzyjnego rejestrowania aktywności mózgu i analizowania jej pod kątem anomalii związanych z zaburzeniami neurologicznymi lub psychiatrycznymi. W drugim kroku możliwe byłoby w przyszłości leczenie tych anomalii i zaburzeń za pomocą impulsów elektrycznych.
W tym celu Yanik i jego zespół opracowali nowy typ elektrody, który umożliwia bardziej szczegółowe i precyzyjne rejestrowanie aktywności mózgu przez dłuższy okres czasu. Elektrody te są wykonane z wiązek niezwykle cienkich i elastycznych włókien przewodzącego elektryczność złota, zamkniętych w polimerze. Dzięki procesowi opracowanemu przez naukowców z ETH w Zurychu wiązki te można wprowadzać do mózgu bardzo powoli, dlatego nie powodują żadnych wykrywalnych uszkodzeń tkanki mózgowej.
To odróżnia nowe elektrody od konkurencyjnych technologii. Spośród nich, być może najbardziej znana w sferze publicznej jest ta od Neuralink, firmy Elona Muska. We wszystkich takich systemach, w tym Neuralink, elektrody są znacznie szersze. „Im szersza sonda, nawet jeśli jest elastyczna, tym większe ryzyko uszkodzenia tkanki mózgowej” — wyjaśnia Yanik. „Nasze elektrody są tak cienkie, że można je przewlec przez długie wypustki, które rozciągają się od komórek nerwowych w mózgu. Mają grubość mniej więcej równą grubości samych wypustek komórek nerwowych”.
Zespół badawczy przetestował nowe elektrody na mózgach szczurów, używając czterech wiązek, z których każda składała się z 64 włókien. W zasadzie, jak wyjaśnia Yanik, do zbadania aktywności jeszcze większej liczby komórek mózgowych można było użyć nawet kilkuset włókien elektrodowych. W badaniu elektrody były podłączone do małego urządzenia rejestrującego przymocowanego do głowy każdego szczura, co umożliwiało mu swobodne poruszanie się.
Brak wpływu na aktywność mózgu
W eksperymentach zespół badawczy był w stanie potwierdzić, że sondy są biokompatybilne i nie wpływają na funkcjonowanie mózgu. Ponieważ elektrody znajdują się bardzo blisko komórek nerwowych, jakość sygnału jest bardzo dobra w porównaniu z innymi metodami.
Jednocześnie sondy nadają się do długoterminowych działań monitorujących, w ramach których naukowcy rejestrują sygnały z tych samych komórek w mózgach zwierząt przez cały okres dziesięciomiesięcznego eksperymentu. Badania wykazały, że w tym czasie nie doszło do uszkodzenia tkanki mózgowej. Kolejną zaletą jest to, że wiązki mogą rozgałęziać się w różnych kierunkach, co oznacza, że mogą dotrzeć do wielu obszarów mózgu.
Wkrótce rozpoczną się testy na ludziach
W badaniu naukowcy wykorzystali nowe elektrody do śledzenia i analizowania aktywności komórek nerwowych w różnych obszarach mózgu szczurów przez okres kilku miesięcy. Udało im się ustalić, że komórki nerwowe w różnych obszarach były „współaktywowane”. Naukowcy uważają, że ta synchroniczna interakcja komórek mózgowych na dużą skalę odgrywa kluczową rolę w przetwarzaniu złożonych informacji i tworzeniu pamięci. „Technologia ta jest bardzo interesująca dla badań podstawowych, które badają te funkcje i ich upośledzenia w zaburzeniach neurologicznych i psychiatrycznych” — wyjaśnia Yanik.
Grupa połączyła siły z innymi badaczami z University College London, aby przetestować diagnostyczne zastosowanie nowych elektrod w ludzkim mózgu. Projekt dotyczy konkretnie osób cierpiących na padaczkę, które nie reagują na terapię lekową. W takich przypadkach neurochirurdzy mogą usunąć niewielką część mózgu, w której występują napady. Pomysł polega na wykorzystaniu metody grupy do precyzyjnego zlokalizowania dotkniętego obszaru mózgu przed usunięciem tkanki.
Interfejsy mózg-maszyna
Istnieją również plany wykorzystania nowych elektrod do stymulacji komórek mózgowych u ludzi. „Może to pomóc w opracowaniu skuteczniejszych terapii dla osób z zaburzeniami neurologicznymi i psychiatrycznymi” — mówi Yanik. W zaburzeniach takich jak depresja, schizofrenia lub OCD często występują zaburzenia w określonych obszarach mózgu, co prowadzi do problemów z oceną informacji i podejmowaniem decyzji. Za pomocą nowych elektrod możliwe będzie wcześniejsze wykrycie patologicznych sygnałów generowanych przez sieci neuronowe w mózgu, a następnie stymulacja mózgu w sposób, który złagodzi takie zaburzenia. Yanik uważa również, że ta technologia może dać początek interfejsom mózg-maszyna dla osób z urazami mózgu. W takich przypadkach elektrody mogą być używane do odczytywania ich intencji, a tym samym na przykład do sterowania protezami lub systemem wyjścia głosu.
