Powstał cienki, przezroczysty, elastyczny implant, który umieszczony na powierzchni mózgu odczytuje informacje o pracy komórek w głębszych warstwach. Kluczem było wykorzystanie grafenu i sztucznej inteligencji.

Naukowcy z University of California, San Diego (USA) opisali właśnie duży krok w kierunku implantów łączących mózg z komputerem, umożliwiających prowadzenie minimalnie inwazyjnych badań aktywności neuronalnej w mózgu. Stworzyli cienki, przezroczysty i giętki implant, który po umieszczeniu na powierzchni mózgu pozwala podglądać działanie komórek mieszczących się głębiej.

Takie narzędzie może znacząco przyspieszyć rozwój medycyny i neurobiologii. Dzięki wszczepowi można będzie np. badać, jak ukrwienie mózgu wpływa na jego aktywność elektryczną, czy jak pewne komórki tworzą ślady pamięciowe.

„Z pomocą tej technologii rozszerzamy zakres, w którym można rejestrować działanie neuronów. Choć nasz implant umieszcza się na powierzchni mózgu, jego możliwości wykraczają poza rejestrowanie bezpośrednich fizycznych oddziaływań i może on zbierać informacje o neuronalnej aktywności w głębszych warstwach” – mówi prof. Duygu Kuzum, autor publikacji, która ukazała się w piśmie „Nature Nanotechnology” (https://www.nature.com/articles/s41565-023-01576-z).

Dotąd możliwe było albo obserwowanie neuronów na powierzchni z pomocą minimalnie inwazyjnych implantów, albo badanie głębszych warstw mózgu z pomocą wprowadzanych od niego igieł.

Badania na myszach potwierdziły, że implant może działać na dwa sposoby. Po pierwsze za pomocą umieszczonych w nim elektrod mierzył aktywność elektryczną neuronów na powierzchni mózgu. W tym samym czasie badacze przez przezroczysty wszczep oświetlali laserem głębsze warstwy, co pozwoliło zaobserwować aktywność jonów wapnia w obecnych tam komórkach. Ruch tych jonów może wiele powiedzieć o działaniu komórek nerwowych.

Informacje uzyskane z różnych warstw badacze wprowadzili następnie do systemu sztucznej inteligencji, który nauczył się dokładnie przewidywać aktywność komórek w głębszych warstwach, na podstawie danych o samej aktywności warstwy powierzchniowej. Dzięki temu można więc już badać tylko warstwę powierzchniową, aby uzyskać wiedzę o tym, co dzieje się także głębiej.

Kluczem do sukcesu były przede wszystkim dwa elementy: grafen, który umożliwił stworzenie ultra-cienkich, przezroczystych elektrod, a także SI, która nauczyła się dedukować działanie głębiej położonych neuronów.

„Integracja sygnałów elektrycznych i optycznego obrazowania aktywności neuronalnej wykonalna jest wyłącznie dzięki tej technologii. Prowadzenie obu eksperymentów jednocześnie dostarcza nam bardziej adekwatnych danych, ponieważ możemy obserwować, w jaki sposób eksperymenty obrazowe są czasowo powiązane z rejestrowaniem sygnałów elektrycznych” – wyjaśnia prof. Kuzum.

W dalszych etapach naukowcy chcą testować swoją technologię na innych gatunkach zwierząt, z ostatecznym celem sprawdzenia jej na ludziach.

„Technologia ta może być wykorzystana naprawdę w wielu podstawowych badaniach z dziedziny neuronauki. Z entuzjazmem chcemy wykonać naszą część pracy, aby przyspieszyć postępy w lepszym zrozumieniu ludzkiego mózgu” – podkreśla specjalista.(PAP)

Marek Matacz

mat/ bar/