Создано беспроводное устройство, которое «разговаривает» с мозгом с помощью света

Мягкое гибкое устройство располагается под кожей головы, над черепом, где оно посылает через кость точные световые импульсы, активирующие нейроны в коре головного мозга.

В ходе экспериментов учёные использовали крошечные световые импульсы с определённым рисунком, чтобы активировать определённые группы нейронов в глубине мозга подопытных мышей. (Эти нейроны были генетически модифицированы, чтобы реагировать на свет.) Мыши быстро научились интерпретировать эти импульсы как значимые сигналы, которые они могли распознавать и использовать. Даже без участия осязания, зрения или слуха животные получали информацию, необходимую для принятия решений, и успешно выполняли поведенческие задачи.

В ходе серии испытаний имплант подавал определённый сигнал в четырёх областях коры головного мозга — это было похоже на ввод кода непосредственно в нейронные цепи. Мыши быстро научились распознавать этот целевой сигнал среди десятков других. Используя искусственные сигналы, передаваемые целевым сигналом, они выбирали правильный порт для получения вознаграждения.

«Постоянно выбирая правильный порт, животное показывало, что оно получило сообщение, — сказал Минчжэн Ву, научный сотрудник лабораторий Роджерса и Козоровицкого. — Они не могут рассказать нам о своих ощущениях с помощью слов, поэтому общаются с помощью своего поведения».

Эта технология обладает огромным потенциалом для применения в различных терапевтических целях, в том числе для обеспечения сенсорной обратной связи с протезами конечностей, создания искусственных стимулов для будущих протезов зрения или слуха, модуляции восприятия боли без использования опиоидов или системных препаратов, улучшения реабилитации после инсульта или травмы, управления роботизированными конечностями с помощью мозга и многого другого.

Исследование будет опубликовано в понедельник (8 декабря) в журнале Nature Neuroscience.

«Наш мозг постоянно преобразует электрическую активность в ощущения, и эта технология позволяет нам напрямую подключиться к этому процессу, — говорит нейробиолог из Северо-Западного университета Евгений Козоровицкая которая руководила экспериментальной работой. — Эта платформа позволяет нам создавать совершенно новые сигналы и наблюдать за тем, как мозг учится их использовать. Это немного приближает нас к восстановлению утраченных чувств после травм или болезней, а также открывает нам доступ к базовым принципам, которые позволяют нам воспринимать мир.

«Разработка этого устройства потребовала переосмысления способов доставки в мозг стимулирующих сигналов в формате, который был бы одновременно минимально инвазивным и полностью имплантируемым», — сказал пионер в области биоэлектроники из Северо-Западного университета Джон А. Роджерс, который руководил разработкой технологии. «Объединив мягкий, адаптируемый массив микросветодиодов — каждый размером с человеческий волос — с модулем управления с беспроводным питанием, мы создали систему, которую можно программировать в режиме реального времени, при этом она полностью находится под кожей и не оказывает заметного влияния на естественное поведение животных. Это значительный шаг вперёд в создании устройств, которые могут взаимодействовать с мозгом без использования громоздких проводов или объёмного внешнего оборудования. Это важно как для фундаментальных исследований в области нейробиологии, так и для решения проблем со здоровьем у людей в долгосрочной перспективе.

Чтобы протестировать систему, команда использовала мышей, у которых были выведены светочувствительные кортикальные нейроны. Затем они научили мышей ассоциировать определённую стимуляцию мозга с вознаграждением. Как правило, для выполнения этой задачи нужно было подойти к определённому отверстию в камере.

Теперь, когда команда доказала, что мозг может интерпретировать ритмичную стимуляцию как значимые сигналы, они планируют протестировать более сложные паттерны и выяснить, сколько различных паттернов может усвоить мозг. В будущих версиях может быть больше светодиодов, расстояние между светодиодами может быть меньше, а сами массивы могут охватывать большую часть коры головного мозга. Кроме того, свет может проникать глубже в мозг.