Интернет‑управляемый мозговой имплантат для дистанционной нейростимуляции и доставки лекарств

Ученые из Южной Кореи разработали миниатюрный беспроводной мозговой имплантат, который через Интернет позволяет в реальном времени стимулировать нейроны светом и доставлять препараты в точечные участки мозга. Один из исследователей в Чикаго показал, что устройство можно надежно контролировать на межконтинентальном расстоянии — из Чикаго в Тэджон, Корея.

KAIST (президент Чунгсик Пэ) объявил 27 августа, что группа под руководством профессора Дже-Вун Чжона из Школы электротехники в сотрудничестве с командой профессора Ва Ён Кима из Медицинского колледжа Университета Йонсей создала беспроводной нейронный имплантат с поддержкой Интернета вещей (IoT), в котором объединены доставка лекарств, оптическая стимуляция, беспроводная связь и дистанционное управление.

Традиционные эксперименты с оптической стимуляцией или локальной доставкой препаратов обычно требовали громоздкого проводного оборудования, что ограничивало естественные движения животных и влияло на поведение. Даже существующие беспроводные решения часто требуют, чтобы исследователь находился поблизости, что снижает гибкость экспериментов и может вносить «эффект наблюдателя».

Чтобы устранить эти ограничения, разработчики подключили имплантат к платформе IoT: исследователи могут удалённо включать подачу препарата или световую стимуляцию нужных нейронов в реальном времени через Интернет, а также программировать автоматическую работу устройства по расписанию.

Устройство размером примерно с кубик сахара спроектировано так, чтобы не мешать естественному поведению животного. Это сокращает потребность в частом вмешательстве исследователя рядом с животным и уменьшает стресс, который мог бы исказить результаты поведенческих исследований.

Имплантат содержит микрофлюидную систему для точной доставки лекарств в целевые участки мозга и микросветодиод (микро‑LED) для оптической модуляции отдельных нейронов. Подачу препарата и оптическую стимуляцию можно управлять независимо или комбинировать.

Резервуар для препарата выполнен съёмным и удерживается магнитом: после расходования содержимого его можно заменить или пополнить без повторной операции по имплантации, что открывает возможности для долговременных повторных экспериментов.

Команда провела имплантацию у крыс и следила за работой устройства в течение четырёх недель. В одном из испытаний исследователь в Чикаго управлял имплантатом в Тэджоне в режиме реального времени через Интернет, подтвердив работоспособность системы на межконтинентальных расстояниях.

В другом эксперименте через беспроводную связь в мозг крысы вводили кокаин и одновременно стимулировали определённые нейроны светом; результаты показали подавление поведенческих реакций, связанных с зависимостью, что свидетельствует о потенциальной ценности сочетания доставки препаратов и оптической стимуляции при изучении нейронных цепей.

Отказ от необходимости непосредственного управления оборудованием рядом с животными делает возможными длительные исследования связи между работой нейронных сетей и поведением в более естественных условиях. Ожидается, что такая платформа будет особенно полезна при изучении состояний с длительными изменениями нейронной функции, например зависимости, депрессии и нейродегенеративных заболеваний.

В перспективе эта идея может лечь в основу «умных» имплантатов, которые с помощью алгоритмов и анализа состояния мозга будут доставлять препараты или проводить нейростимуляцию в нужный момент.

По мнению разработчиков, переход от ближнеполевых систем управления к IoT‑платформам делает возможными автоматизированные и удалённые долгосрочные эксперименты по инженерии мозга и может способствовать появлению имплантируемых медицинских устройств для диагностики и лечения заболеваний головного мозга.

Профессор Джэ-Вун Чжон из KAIST

Профессор Ва Ён Ким из Университета Йонсей сказал: «Эта платформа позволяет исследователям удалённо и точно контролировать определённые цепи мозга в течение длительных периодов времени, в то время как животные свободно передвигаются в натуралистических условиях. Ожидается, что она станет важным инструментом для выявления причинно‑следственных связей между нейронными цепями и поведением в моделях заболеваний, таких как зависимость, депрессия и нейродегенеративные расстройства».

Соавторами работы стали Ын Ён Чжон, докторант Школы электротехники KAIST, и Чон У Пак, докторант Медицинского колледжа Университета Йонсей. Исследование было опубликовано 29 июля в международном журнале Science Progress.