Это исследование, проведенное профессором Джэ-Вунг Чжон, является шагом вперед по сравнению с нейронным устройством с беспроводным головным имплантатом, которое он разработал в 2019 году. Эта предыдущая версия могла бесконечно доставлять несколько лекарств и лечение световой стимуляцией по беспроводной сети с помощью смартфона.
Для новой обновленной версии исследовательская группа разработала полностью имплантируемую мягкую оптоэлектронную систему, которой можно дистанционно и выборочно управлять с помощью смартфона. Это исследование было опубликовано 22 января 2021 года в журнале Nature Communications.
Новая технология беспроводной зарядки устраняет ограничения существующих мозговых имплантатов. Технологии беспроводных имплантируемых устройств в последнее время стали популярными в качестве альтернативы обычным привязанным имплантатам, поскольку они помогают минимизировать стресс и воспаление у свободно движущихся животных во время исследований мозга, что, в свою очередь, увеличивает срок службы устройств. Однако такие устройства требуют либо периодических операций по замене разряженных батарей, либо специальных громоздких настроек беспроводной сети, которые ограничивают экспериментальные возможности, а также масштабируемость экспериментов на животных.
«Это мощное устройство устраняет необходимость в дополнительных болезненных операциях по замене разряженной батареи в имплантате, обеспечивая непрерывную хроническую нейромодуляцию», – сказал профессор Джеонг. «Мы считаем, что одна и та же базовая технология может быть применена к различным типам имплантатов, включая глубокие стимуляторы мозга, кардиостимуляторы и кардиостимуляторы желудка, чтобы снизить нагрузку на пациентов при длительном использовании в организме."
Чтобы обеспечить беспроводную зарядку аккумулятора и управление, исследователи разработали крошечную схему, которая объединяет беспроводной накопитель энергии с спиральной антенной и чипом Bluetooth с низким энергопотреблением.
Переменное магнитное поле может безвредно проникать через ткани и генерировать электричество внутри устройства для зарядки аккумулятора. Затем имплант Bluetooth с питанием от батареи доставляет программируемые образцы света в клетки мозга с помощью «простого в использовании» приложения для смартфона для управления мозгом в реальном времени.
«Этим устройством можно управлять в любом месте и в любое время, чтобы управлять нейронными цепями, что делает его очень универсальным инструментом для исследования функций мозга», – сказал ведущий автор Чун Ён Ким, исследователь из KAIST.
Нейробиологи успешно протестировали эти имплантаты на крысах и продемонстрировали их способность подавлять поведение, вызванное кокаином, после того, как крысам вводили кокаин. Это было достигнуто за счет точной световой стимуляции соответствующих нейронов-мишеней в их мозгу с помощью светодиодов, управляемых смартфоном. Кроме того, батарею в имплантатах можно было многократно перезаряжать, пока крысы вели себя свободно, что сводило к минимуму любое физическое прерывание экспериментов.
«Беспроводная подзарядка аккумуляторов значительно упрощает экспериментальные процедуры», – сказал со-ведущий автор Мин Чжон Ку, исследователь Медицинского колледжа Университета Йонсей.
«Тот факт, что мы можем управлять определенным поведением животных, доставляя световую стимуляцию в мозг, просто манипулируя приложением для смартфона, наблюдая за свободно движущимися поблизости животными, очень интересен и стимулирует большое воображение», – сказал Чон-Хун. Ким, профессор физиологии Медицинского колледжа Университета Йонсей. "Эта технология облегчит различные направления исследований мозга."
Исследователи считают, что эта технология имплантации мозга может открыть новые возможности для исследований мозга и терапевтического вмешательства для лечения заболеваний мозга и других органов.
Работа поддержана грантами Корейского национального исследовательского фонда и Глобальной исследовательской программы сингулярности KAIST.