O echipă multidisciplinară a UNSW a descoperit o metodă de a transforma impulsurile nervoase în lumină, deschizând calea pentru implanturi cerebrale mai scalabile.
Inginerii biomedicali de la Universitatea din New South Wales (UNSW) au creat o nouă metodă de măsurare a activității neuronale folosind lumină mai degrabă decât electricitate care ar putea duce la o reimaginare completă a tehnologiei medicale, cum ar fi interfețele creier-mașină și protezele operate de nervi.
Potrivit profesorului François Ladouceur de la Școala de Inginerie Electrică și Telecomunicații a UNSW, echipa multidisciplinară a demonstrat recent în laborator ceea ce a dovedit teoretic chiar înainte de pandemie: senzorii dezvoltați utilizând cristale lichide și tehnologie optică integrată denumită „optrozi” pot detecta nervii.
Nu numai că acești „optrozi” funcționează la fel de bine ca electrozii convenționali care folosesc electricitatea pentru a detecta un impuls nervos dar abordează și „probleme foarte spinoase pe care tehnologiile concurente nu le pot rezolva”, spune profesorul Ladouceur.
„În primul rând, este foarte dificil să micșorezi dimensiunea interfeței folosind electrozi convenționali, astfel încât mii dintre ei să se poată conecta la mii de nervi într-o zonă foarte mică. Una dintre probleme pe măsură ce micșorați mii de electrozi și îi apropiați din ce în ce mai mult pentru a se conecta la țesuturile biologice este că rezistența lor individuală crește, ceea ce degradează raportul semnal-zgomot, așa că avem o problemă la citirea semnalului. Numim această „nepotrivire de impedanță”. O altă problemă este ceea ce numim „diafonia” când micșorați acești electrozi și îi apropiați unul de celălalt, ei încep să vorbească sau să se afecteze unul cu celălalt din cauza proximității lor.” a declarat el.
Cu toate acestea, deoarece „optrozii” detectează semnalele neuronale folosind mai degrabă lumină decât electricitate, problemele de nepotrivire a impedanței sunt redundante și diafonia este redusă la minimum.
„Adevăratul avantaj al abordării noastre este că putem face această conexiune foarte densă în domeniul optic și nu plătim prețul pe care trebuie să-l plătim în domeniul electric”, spune profesorul Ladouceur.
Recent, profesorul Ladouceur și colegii de la UNSW au încercat să demonstreze că „optrozii” ar putea fi folosiți pentru a măsura cu precizie impulsurile neuronale în timp ce se mișcă de-a lungul unei fibre nervoase la un animal viu.
Descoperirile lor au fost publicate recent în Journal of Neural Engineering.
Profesorul Scienta Nigel Lovell, director al Institutului de Inginerie a Sănătății Tyree Foundation și șef al Școlii Absolvente de Inginerie Biomedicală spune că echipa sa a conectat un „optrod” la nervul sciatic al unui animal anesteziat. Nervul a fost apoi stimulat cu curent la intensitate mică și semnalele neuronale au fost înregistrate cu „optrodul”. Apoi au făcut același lucru folosind un electrod convențional și un bioamplificator.
„Am demonstrat că răspunsurile nervoase au fost în esență aceleași”, spune profesorul Lovell.
„Există încă mai mult zgomot în cel optic, dar acest lucru nu este surprinzător, având în vedere că aceasta este o tehnologie nou-nouță și putem lucra la asta. Dar, în cele din urmă, am putea identifica aceleași caracteristici prin măsurarea electrică sau optică.” a adăugat el.
Până acum, echipa a reușit să demonstreze că impulsurile nervoase care sunt relativ slabe și măsurate în microvolți pot fi înregistrate prin tehnologia cu „optrozi”. Următorul pas va fi creșterea numărului de „optrozi” pentru a putea gestiona rețele complexe de țesut nervos și excitabil.
Profesorul Ladouceur spune că la începutul proiectului, colegii săi s-au întrebat, de câte conexiuni neuronale are nevoie un bărbat sau o femeie pentru a opera o mână cu un grad de finețe.
„Răspunsul nu este atât de evident, a trebuit să căutăm destul de mult în literatură, dar credem că este vorba de aproximativ 5000 până la 10.000 de conexiuni.” spune el.
Cu alte cuvinte, între creier și mână, există un mănunchi de nervi care coboară din cortexul tău și se împarte în cele din urmă în acei 5000 până la 10.000 de nervi care controlează operațiile delicate ale mâinii tale.
Dacă un cip cu mii de conexiuni optice s-ar putea conecta la creierul tău sau undeva în braț înainte ca fasciculul nervos să se separe, o mână protetică ar putea funcționa cu aproape aceeași abilitate ca una biologică.
Profesorul Ladouceur spune că sunt probabil zeci de ani de cercetări suplimentare înainte ca acesta să devină realitate. Aceasta ar include dezvoltarea capacității „optrozilor” de a fi bidirecționali. Nu numai că ar primi și interpreta semnale de la creier pe drumul către corp, dar ar putea primi și feedback sub formă de impulsuri neuronale care se întorc către creier.
Proteza neuronală nu este singurul spațiu pe care tehnologia cu „optrozi” are potențialul de a-l redefini. Oamenii visează de mult la integrarea tehnologiei și a mașinilor în corpul uman, fie pentru a-l repara, fie pentru a-l îmbunătăți.
Unele dintre acestea sunt acum o realitate, cum ar fi implanturile cohleare, stimulatoarele cardiace și defibrilatoarele cardiace, ca să nu mai vorbim de ceasurile inteligente și alte dispozitive de urmărire care oferă biofeedback continuu.
Dar unul dintre obiectivele cele mai ambițioase din inginerie biomedicală și neuroștiință este interfața creier-mașină care își propune să conecteze creierul cu restul corpului.
„Zona de interfață neuronală este un domeniu incredibil de interesant și va fi subiectul unei cercetări și dezvoltări intense în următorul deceniu”, spune profesorul Lovell.
Deși acest lucru este mai mult ficțiune decât realitate în acest moment, există multe companii de biotehnologie care iau acest lucru foarte în serios. Antreprenorul Elon Musk unul dintre co-fondatorii Neuralink își propune să creeze interfețe creier-calculator cu potențialul de a ajuta persoanele cu paralizie, precum și de a încorpora inteligența artificială în activitățile creierului nostru.
Abordarea Neuralink folosește electrozi de sârmă convenționali în dispozitivele sale, așa că trebuie să depășească nepotrivirea impedanței și diafonia, printre multe alte provocări, dacă doresc să dezvolte dispozitive care găzduiesc mii, dacă nu milioane, de conexiuni între creier și dispozitivul implantat. Recent, Elon Musk a declarat ca este frustrat de ritmul lent de dezvoltare al tehnologiei.
Profesorul Ladouceur spune că timpul va spune dacă Neuralink și concurenții săi reușesc să înlăture aceste obstacole. Cu toate acestea, având în vedere că dispozitivele implantabile in vivo care captează activitatea neuronală sunt în prezent limitate la aproximativ 100 de electrozi, mai este încă un drum lung de parcurs.
„Nu spun că este imposibil, dar devine cu adevărat problematic dacă ar fi să rămânem la electrozii standard”, spune profesorul Ladouceur.
„Nu avem aceste probleme în domeniul optic. În dispozitivele noastre, dacă există activitate neuronală, prezența acesteia influențează orientarea cristalului lichid pe care îl putem detecta și cuantifica prin luminarea acestuia. Înseamnă că nu extragem curent din țesuturile biologice așa cum fac electrozii de sârmă. Și astfel biodetecția poate fi făcută mult mai eficient.” a declarat el.
Acum că cercetătorii au demonstrat că metoda cu „optrozi” funcționează in vivo şi vor publica în scurt timp cercetări care arată că această tehnologie este bidirecțională şi poate nu doar să citească semnale neuronale, ci și să le scrie.
Articol de Răzvan Lupu