'Ovi novi materijali i konstrukcije uređaja stvorili su nove načine integracije poluvodičkih komponenata izravno u mozak', rekao je John A. Rogers, znanstvenik koji vodi istraživački laboratorij Frederick Seitz Materials Sveučilišta Illinois. 'Dobili smo paradigmu za ugradnju sofisticiranih oblika elektronike u tijelo te ubrizgavanje ultraminijaturnih uređaja koji duboko u tkivu ostvaruju izravnu interakciju.'

Istraživači su prikazali primjenu novih uređaja u optogenetici, novom području neuroznanosti, koja koristi svjetlo za stimuliranje ciljanih neuronskih putova u mozgu, a postupak uključuje genetsko programiranje određenih neurona da reagiraju na svjetlosni podražaj.

Optogenetika omogućuje istraživačima proučavanje izoliranih i točno određenih moždanih funkcija na način koji je nemoguće postići elektrostimulacijom koja utječe na neurone u širokom području ili lijekovima koji zasite cijeli mozak.

Optogenetički pokusi s miševima pokazuju mogućnost treniranja složenih vještina bez potrebe za fizičkom nagradom, uz ublažavanje anksioznih reakcija.

Temeljan uvid u strukturu i funkcije mozga koji proizlazi iz takvih studija može imati implikacije za liječenje Alzheimerove i Parkinsonove bolesti, depresije, tjeskobe i drugih neuroloških poremećaja.

Manje invazivan postupak

Dosad su najkorištenije metode vezivale životinje na laboratorijsku opremu jer su eksperimenti vršeni uz pomoć laserske svjetlosti koja je svjetlovodnim kabelima putovala do moždanih centara. Taj je invazivni postupak ograničavao pokrete, utjecao na prirodno ponašanje i sprečavao proučavanje društvenih odnosa među životinjama.

Novorazvijene tehnologije zaobilaze ta ograničenja pomoću posebno dizajniranih i snažnih LED-ica, među najmanjima na svijetu.

LED-ice su smještene na vrh tanke plastične fleksibilne trake, tanje od ljudske kose i uže od ušice igle, a njihova veličina je usporediva s veličinom pojedinačnih stanica, što omogućava da se ubrizgaju direktno u mozak bez negativnog utjecaja na okolno tkivo.

'Jedan od velikih problema s implantacijom bilo čega u mozak je potencijalna šteta koju zahvat može izazvati u okolnom tkivu', ističu znanstvenici. 'Ovi uređaji su posebno dizajnirani da bi se smanjili ti problemi te su mnogo učinkovitiji od tradicionalnog pristupa.'

Novorazvijeni uređaji ne uključuju samo LED-ice, već je pomoću tanke mikroigle za ubrizgavanje omogućena implantacija raznih senzora i elektroda. Implantati su povezani fleksibilnom trakom na primopredajnik koji služi za bežično povezivanje s računalom, a cijeli se sklop može montirati na glavu te biti isključen kada nije u upotrebi.

Antena koja služi za bežičnu komunikaciju ima i svrhu prikupljanja okolnog elektromagnetskog zračenja koje nakon ispravljanja posebnim ispravljačem daje potrebnu energiju za napajanje cijelog sklopa, pa nije potrebna ni baterija.

'Studija složenih ponašanja, socijalnih interakcija i prirodnih reakcija zahtijeva tehnologiju koja nameće minimalna ograničenja', rekao je Rogers. 'Sustav koji smo razvili omogućava životinjama da se slobodno kreću i komuniciraju s drugima na prirodan način, ali u isto vrijeme pruža punu i preciznu kontrolu isporuke svjetlosti u dubinu mozga.'

Platforma širokih mogućnosti

Kompletna platforma uključuje LED diode, senzore temperature i svjetla, mikroskopske grijače i elektrode koji mogu stimulirati, ali i snimati električnu aktivnost. Ona omogućava istovremenu kontrolu različitih važnih funkcija - naprimjer znanstvenici mogu mjeriti električnu aktivnost koja nastaje stimulacijom svjetlom, što im daje dodatni uvid u složene neuronske krugove i interakcije unutar mozga.

Ova bežična platforma pruža široke mogućnosti, jer osim za proučavanje mozga, može se iskoristiti i naći primjenu za proučavanje ostalih organa. Rogersov je tim razvio slične uređaje za poticanje perifernih živaca u nozi, što je potencijalno upotrebljivo u kontroli boli.

'Ti uređaji staničnih razmjera predstavljaju graničnu tehnologiju s potencijalno širokim implikacijama', rekao je Rogers.

Njegova skupina poznata je po svojoj uspješnosti u razvoju sofisticirane elektronike u obliku savitljivih uređaja koji se mogu obaviti oko mozga, srca ili priljubiti uz kožu.

'No niti jedan od tih uređaja ne prodire u dubinu tkiva', rekao je Rogers. 'To je izazov koji pokušavamo riješiti ovim novim pristupom. Mnogi slučajevi, u rasponu od temeljnih istraživanja do kliničkih intervencija, zahtijevaju pristup izravno u dubinu tkiva. Ovo je samo prvi od mnogih primjera injektibilnih poluvodičkih mikrouređaja koji će uslijediti.'

Tim znanstvenika, predvođen profesorom znanosti o materijalima i inženjerstva Johnom A. Rogersom i profesorom anesteziologije Michaelom R. Bruchasom, objavit će svoj rad u travanjskom izdanju časopisa Science