18:00 
Ученые Северо-Западного университета сделали новый шаг в развитии нейробиологии и биоэлектроники. Ученые Северо-Западного университета разработали беспроводное устройство, которое использует свет для отправки информации непосредственно в мозг, минуя естественные сенсорные пути тела.
Мягкое, гибкое устройство расположено под скальпом, но на верхней части черепа, где оно передает точные узоры света через кость, чтобы активировать нейроны коры головного мозга.
В экспериментах ученые использовали крошечные узорчатые устройства устройства вспышки света для активации определенных популяций нейронов глубоко внутри мозга мышиных моделей. (Эти нейроны генетически модифицированы, чтобы реагировать на свет.) Мыши быстро научились интерпретировать эти закономерности как значимые сигналы, которые они могли распознавать и использовать. Даже без участия прикосновения, зрения или звука животные получали информацию для принятия решений и успешно выполняли поведенческие задачи.
Технология имеет огромный потенциал для различных терапевтических применений, включая обеспечение сенсорной обратной связи для протезов конечностей, создание искусственных стимулов для будущих зрительных или слуховых протезов, модуляцию восприятия боли без опиоидов или системных препаратов, улучшение реабилитации после инсульта или травмы, управление роботизированными конечностями с помощью мозга и многое другое.
Исследование будет опубликовано в понедельник (декабрь 2019 г.). 8) в журнале Nature Neuroscience.
"Наш мозг постоянно превращает электрическую активность в переживания, и эта технология дает нам возможность напрямую подключиться к этому процессу", - сказала северо-западный нейробиолог Евгения Козоровицкая, руководившая экспериментальной работой. "Эта платформа позволяет нам создавать совершенно новые сигналы и видеть, как мозг учится их использовать. Она приближает нас к восстановлению утраченных чувств после травм или болезней, одновременно открывая окно в основные принципы, которые позволяют нам воспринимать мир.
"Разработка этого устройства потребовала переосмысления того, как доставлять шаблонную стимуляцию мозга в формате, который является одновременно минимально инвазивным и полностью имплантируемым", — сказал пионер северо-западной биоэлектроники Джон А. Роджерс, возглавлявший исследование. «Объединив мягкий, гибкий набор микросветодиодов, каждый из которых размером с одну прядь человеческого волоса, с модулем управления с беспроводным питанием, мы создали систему, которую можно программировать в реальном времени, оставаясь при этом полностью под кожей, без какого-либо заметного влияния на естественное поведение животных. Это представляет собой значительный шаг вперед в создании устройств, которые могут взаимодействовать с мозгом без необходимости использования обременительных проводов или громоздкого внешнего оборудования. Это ценно как в непосредственной перспективе для фундаментальных нейробиологических исследований, так и в долгосрочной перспективе для решения проблем со здоровьем у людей».
Козоровицкая — профессор нейробиологии Ирвинга М. Клотца в Вайнбергском колледже искусств и наук Северо-Западного университета. Она также является членом Института химии жизненных процессов. Роджерс — профессор материаловедения и инженерии Луи Симпсона и Кимберли Куэрри, биомедицина Инженерная и неврологическая хирургия в Инженерной школе Маккормика и Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета. Он также является директором Института биоэлектроники Куэрри Симпсона Ву Минчжэн, научный сотрудник лабораторий Роджерса и Козоровицкого, и является первым автором исследования.
Воспроизведение естественных закономерностей активности мозга
Новое исследование. В ходе предыдущей работы, в которой Козоровицкий и Роджерс представили первое полностью имплантируемое, программируемое, беспроводное устройство без батареи, способное управлять нейронами с помощью света. В предыдущем исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience в 2021 году, использовался одиночный микросветодиодный зонд для влияния на социальное поведение мышей. В то время как предыдущие исследования в области оптогенетики (метода управления нейронами с помощью света) требовали волоконно-оптических проводов, которые удерживали мышей, беспроводная версия позволяла животным выглядеть и вести себя нормально. в социальных сетях.
Новая версия продвигает это исследование еще дальше, обеспечивая более богатую и гибкую связь с мозгом. Выходя за рамки возможности активировать и деактивировать одну область нейронов, новое устройство оснащено программируемым массивом из до 64 микросветодиодов. Благодаря контролю в реальном времени над каждым светодиодом исследователи могут отправлять в мозг сложные последовательности, которые могут напоминать распределенную активность, возникающую во время естественных ощущений. нейронов — многорегиональная конструкция имитирует более естественные закономерности активности мозга.
«В первой статье мы использовали один микросветодиод», — сказал Ву. «Теперь мы используем массив из 64 микросветодиодов для управления структурой активности коры головного мозга. Количество шаблонов, которые мы можем создать с помощью различных комбинаций светодиодов — частоты, интенсивности и временной последовательности — практически бесконечно.
