Для большинства людей утрата такого чувства, как зрение, становится разрушительным событием не только из-за повышенной уязвимости, но и из-за снижения качества жизни. Протезы, хотя и могут быть функционально полезны, не способны заменить сенсорную информацию — например, ощущения текстуры, влажности и плотности, которые наша кожа легко передает в мозг.

Именно поэтому уникальное оптогенетическое устройство, разработанное в Северо-Западном университете недалеко от Чикаго, вызывает столько надежд. Новая беспроводная нейроимплантация, по размеру сравнимая с ключом от дома и тоньше монеты, позволяет избежать некоторых операций с распиливанием и сверлением черепа благодаря минимально инвазивному внедрению под кожу головы. Нейроучёные могут разместить мягкий, гибкий «нейро-ключ» на поверхности черепа, где он направляет активирующий нейроны свет прямо через кость в кору головного мозга, полностью обходя естественные сенсорные каналы.

Эксперименты и результаты

В предстоящей публикации в журнале Nature Neuroscience ведущий автор Минчжэн Ву и его коллеги описывают, как в экспериментах на моделях мозга мышей нейро-ключ точно активировал группы нейронов, модифицированных геном светочувствительных водорослей. Мыши, которые не могли видеть, слышать или чувствовать, быстро научились интерпретировать световые сигналы для выполнения различных задач.

«Наш мозг постоянно превращает электрическую активность в ощущения, и эта технология позволяет нам напрямую вмешиваться в этот процесс», — отмечает руководитель эксперимента Евгения Козоровицкая, профессор нейробиологии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета. — «Эта платформа позволяет создавать совершенно новые сигналы и наблюдать, как мозг учится их использовать. Это приближает нас к восстановлению утраченных чувств после травм или болезней и открывает окно в базовые принципы восприятия мира».

Перспективы применения

Поскольку для работы оптогенетических имплантатов требуется генетическая модификация нейронов, они пока не одобрены для использования у людей. Однако для тех, кто утратил способность видеть, слышать или чувствовать, нейро-ключ дает надежду на радикальные перемены к лучшему — в том числе с помощью устройств, способных передавать информацию, стимулирующую те же нейроны, которые получают сигналы от глаз, ушей и кожи. Возможные применения включают реабилитацию, особенно после неврологических последствий инсульта, а также кибернетическое управление роботизированными конечностями.

В качестве средства облегчения одной из самых тяжелых проблем — хронической боли — нейро-ключ может предложить модуляцию боли без затрат, побочных эффектов и риска зависимости, связанных с опиоидами и системными препаратами.

Технологические особенности

В первой работе команда использовала только один микро-светодиод, однако новая версия с массивом из 64 микро-светодиодов позволяет создавать практически бесконечное количество паттернов, различающихся по частоте, интенсивности и временной последовательности. Управление каждым светодиодом в реальном времени дает исследователям возможность передавать в мозг сложные световые паттерны, имитирующие сенсорный опыт распределённой нейронной активности, а не только локализованную активацию.

«Разработка этого устройства потребовала от нас переосмысления способов доставки паттернированной стимуляции в мозг в формате, который был бы одновременно минимально инвазивным и полностью имплантируемым», — говорит Джон А. Роджерс, директор Института биоэлектроники Куэрри Симпсон при Северо-Западном университете. Роджерс возглавил технологическую часть проекта и также является профессором материаловедения, биомедицинской инженерии и нейрохирургии.

«Интегрируя мягкий, гибкий массив из до 64 микро-светодиодов, каждый из которых по диаметру сопоставим с человеческим волосом, с беспроводным управляющим модулем, мы создали систему, которую можно программировать в реальном времени. При этом она полностью находится под кожей и не оказывает заметного влияния на естественное поведение животных», — добавляет Роджерс.

Преимущества и будущее

По словам Роджерса, эти особенности конструкции нейро-ключа представляют собой значительный шаг вперед в создании устройств, способных взаимодействовать с мозгом без необходимости в громоздких проводах или внешнем оборудовании. Это важно не только для нейронаучных исследований, но и для улучшения здоровья человека.

Оптогенетические технологии не новы: еще в 2021 году Козоровицкая и Роджерс разработали программируемый, беспроводной, не требующий батареи имплантат для дистанционного управления поведением мышей. Однако многие аналогичные устройства требовали оптоволоконных проводов, ограничивавших движения животных, тогда как новый нейро-ключ позволяет мышам двигаться свободно.

Поскольку имплантация скрывает устройство под кожей, а не выставляет его напоказ, как «электрод в мозгу» безумного ученого, будущие пользователи среди людей будут избавлены от реакции окружающих. Это важный аспект медицинских технологий, защищающий частную жизнь и достоинство человека при восстановлении функций.