Ένα εμφύτευμα στο μέγεθος κόκκου αλατιού που «ακούει» τον εγκέφαλο για έναν ολόκληρο χρόνο

Ερευνητές του Cornell University κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα νευρικό εμφύτευμα τόσο μικρό όσο ένας κόκκος αλατιού, ικανό να παρακολουθεί τη δραστηριότητα του εγκεφάλου ασύρματα για περισσότερο από έναν χρόνο. Το μικροσκοπικό αυτό θαύμα της μηχανικής ονομάζεται MOTE (Microscale Optoelectronic Tetherless Electrode) και συνδυάζει προηγμένη οπτική αρχιτεκτονική με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, επιτρέποντας τη συνεχή καταγραφή νευρικών σημάτων σε πραγματικό χρόνο, χωρίς να ενοχλεί τον ευαίσθητο ιστό του εγκεφάλου.

Το MOTE έχει διαστάσεις μόλις 300 μικρόμετρα μήκος και 70 μικρόμετρα πλάτος, δηλαδή μικρότερο από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μεταλλικά ηλεκτρόδια, που συχνά προκαλούν φλεγμονές ή ανοσολογικές αντιδράσεις, η συσκευή λειτουργεί εντελώς διαφορετικά: τροφοδοτείται από κόκκινες και υπέρυθρες ακτίνες λέιζερ που διαπερνούν το κρανίο με ασφάλεια, χωρίς να προκαλούν βλάβες. Μέσα στο εμφύτευμα, μια δίοδος από ημιαγωγό αλουμινίου-γαλλίου-αρσενικού μετατρέπει το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, επιτρέποντας την καταγραφή των νευρικών σημάτων και την αποστολή τους προς τα έξω μέσω οπτικών παλμών.

Το project είναι αποτέλεσμα δεκαετούς έρευνας με επικεφαλής τον καθηγητή Alyosha Molnar από το Cornell School of Electrical and Computer Engineering και τον Sunwoo Lee, σήμερα λέκτορα στο Nanyang Technological University στη Σιγκαπούρη. Οι δύο επιστήμονες εργάζονταν επί χρόνια πάνω στη μινιατουροποίηση αισθητήρων που μπορούν να παραμείνουν ενεργοί μέσα στον εγκέφαλο για μεγάλες χρονικές περιόδους χωρίς να προκαλούν ερεθισμούς ή αλλοιώσεις του ιστού. Όπως εξηγεί ο Molnar, «στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε ένα σύστημα που δεν θα ενοχλεί τον εγκέφαλο, αλλά θα μπορεί να ενσωματώνεται φυσικά μέσα του με την πάροδο του χρόνου».

Οι δοκιμές σε ποντίκια απέδειξαν ότι η συσκευή μπορεί να παρακολουθεί καθαρά και αξιόπιστα τη νευρική δραστηριότητα για πάνω από δώδεκα μήνες, κάτι που καμία άλλη ασύρματη τεχνολογία αντίστοιχης κλίμακας δεν είχε πετύχει μέχρι σήμερα. Το MOTE κατέγραψε τόσο τις γρήγορες εκφορτίσεις των νευρώνων όσο και τα πιο αργά κύματα των συνάψεων, χωρίς να επηρεάζει τη συμπεριφορά ή την υγεία των ζώων. Η πρόκληση για την ομάδα ήταν να συνδυάσει μια ηλεκτρονική αρχιτεκτονική αρκετά ευαίσθητη για την ανίχνευση των νευρικών σημάτων με ένα σύστημα τροφοδοσίας και μετάδοσης που θα παραμένει σταθερό στο χρόνο, ξεπερνώντας έτσι τα όρια των ραδιοσυχνοτήτων που φθείρονται ή αποσταθεροποιούνται μέσα στον οργανισμό.

Ένα από τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά του MOTE είναι η συμβατότητά του με άλλες διαγνωστικές τεχνολογίες. Επειδή η δομή του βασίζεται σε ημιαγωγούς και όχι σε μεταλλικά μέρη, μπορεί να λειτουργεί ακόμη και κατά τη διάρκεια μαγνητικής τομογραφίας, χωρίς να προκαλεί παρεμβολές ή κινδύνους, κάτι που μέχρι σήμερα κανένα άλλο νευρικό εμφύτευμα δεν είχε καταφέρει. Η ιδιότητα αυτή ανοίγει νέους δρόμους για τη συνδυαστική παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας με πολλαπλές μεθόδους ταυτόχρονα.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι στο μέλλον η τεχνολογία θα μπορούσε να επεκταθεί πέρα από τον εγκέφαλο, χρησιμοποιώντας το ίδιο σύστημα για την παρακολούθηση της δραστηριότητας του νωτιαίου μυελού ή για τη δημιουργία «διαφανών» κρανιακών προθέσεων που θα επιτρέπουν τον συνεχή έλεγχο νευρικών σημάτων σε ασθενείς με επιληψία ή τραυματικές εγκεφαλικές κακώσεις. Με τέτοιες εφαρμογές, οι γιατροί θα μπορούσαν να παρακολουθούν τη λειτουργία του νευρικού συστήματος σε πραγματικό χρόνο, χωρίς επεμβάσεις ή καλώδια.

Η ιδέα πίσω από το MOTE δεν είναι νέα. Οι ρίζες της φτάνουν πίσω στο 2001, όταν ερευνητές του Cornell οραματίστηκαν τα πρώτα «νευρικά μικροσυστήματα» για ασύρματη εγκεφαλική καταγραφή. Χρειάστηκαν όμως πάνω από δύο δεκαετίες τεχνολογικής εξέλιξης για να γίνει πραγματικότητα αυτό το σχέδιο. Η καθοριστική πρόοδος ήρθε μέσα από τη συνεργασία με το Cornell Neurotech, μια κοινή πρωτοβουλία μεταξύ των Σχολών Μηχανικής και Επιστήμης που στοχεύει στη γεφύρωση των τεχνολογιών νανοκλίμακας με τη νευροεπιστήμη.

Το MOTE καταγράφεται επίσημα ως το μικρότερο εμφύτευμα που έχει κατασκευαστεί ποτέ και που μπορεί να συλλέγει και να μεταδίδει ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου πλήρως αυτόνομα. Η συσκευή αυτή αντιπροσωπεύει ένα βήμα προς μια νέα εποχή στη νευροτεχνολογία — μια εποχή όπου η χαρτογράφηση του εγκεφάλου μπορεί να γίνει με μηδαμινή επέμβαση, αθόρυβα, διακριτικά και με απόλυτη ακρίβεια.

[source]