Вчені створили м’який бездротовий імплантат, який використовує крихітні спалахи світла для передавання інформації безпосередньо в мозок, дозволяючи тваринам навчатися абсолютно нових штучних сигналів. Завдяки підсвічуванню певних патернів на корі мозку система навчає мозок тлумачити ці спалахи як значущі підказки, що впливають на прийняття рішень і поведінку. Дослідники з Північно-Західного університету зробили суттєвий прорив у нейробіології та біоелектроніці, створивши бездротовий пристрій, який передає інформацію в мозок за допомогою світла. Такий підхід оминає природні сенсорні шляхи організму та взаємодіє з нейронами напряму. Система м’яка та гнучка. Вона розміщується під шкірою голови та лежить на кістці черепа. Звідти вона може проєктувати ретельно запрограмовані світлові патерни крізь кістку, стимулюючи нейрони у великих ділянках кори. Світлові сигнали навчають мозок нової інформації Під час тестувань науковці використовували короткі імпульси світла зі спеціальними патернами, щоб активувати певні групи нейронів у мишей. (Ці нейрони були генетично модифіковані так, щоб реагувати на світло.) Миші швидко навчалися, що певні світлові патерни є важливими сигналами, і використовували їх для керування своєю поведінкою. Навіть без задіяння природних органів чуття тварини могли користуватися штучними сигналами, щоб ухвалювати рішення й виконувати завдання. Дослідники бачать у цьому методі великий потенціал. Технологія може забезпечити сенсорний зворотний зв’язок для протезів, створювати нові види штучних сенсорних сигналів для майбутніх слухових і зорових пристроїв, допомагати контролювати біль без медикаментів, підтримувати відновлення після травм або інсульту та навіть керувати роботизованими протезами. Дослідження опубліковане 8 грудня в журналі Nature Neuroscience. Під час демонстрації інженери запрограмували пристрій на показ світлових патернів у послідовності, що нагадує гру «Тетріс». Ці складні світлові сигнали передають інформацію прямо в мозок, оминаючи природні сенсорні шляхи. Новий спосіб створювати та вивчати сигнали мозку «Наш мозок постійно перетворює електричну активність на досвід, і ця технологія дає нам спосіб напряму втручатися в цей процес», — каже Євгенія Козоровицька, нейробіологиня з Northwestern, яка очолювала експериментальну роботу. — «Ця платформа дозволяє нам створювати абсолютно нові сигнали й бачити, як мозок вчиться ними користуватися. Це наближає нас до відновлення втрачених чуттів після травм чи хвороб і відкриває вікно у базові механізми сприйняття світу». «Щоб створити цей пристрій, нам довелося переосмислити способи подавання стимуляції у вигляді патернів світла так, щоб вона була мінімально інвазивною та повністю імплантованою», — додав Джон А. Роджерс, піонер біоелектроніки та керівник технологічного розвитку. — «Поєднавши м’який масив мікро-LED, кожен з яких за розміром не більший за людську волосину, з бездротовим модулем керування, ми створили систему, яку можна програмувати в реальному часі, і яка повністю розташована під шкірою, не впливаючи на природну поведінку тварин». Провідною авторкою дослідження є постдокторантка Мінчженг Ву. Розширення можливостей оптогенетики Проєкт базується на попередній роботі, у якій у 2021 році команда Козоровицької та Роджерса створила перший повністю імплантований, програмований, бездротовий і безбатарейний пристрій для контролю нейронів світлом. Попередня версія мала лише один micro-LED і могла керувати поведінкою мишей лише в невеликій ділянці мозку. Нова система значно складніша: вона містить масив із 64 мікро-LED, кожен з яких можна регулювати в реальному часі. Це дозволяє генерувати набагато складніші послідовності, що більше нагадують природні сигнали, які мозок обробляє під час реального сприйняття. «У першій роботі ми використовували один micro-LED», — каже Ву. — «Тепер їх 64, і кількість патернів, які можна створити, змінюючи інтенсивність, частоту та послідовність, практично безмежна». М’який дизайн і передавання світла через кістку черепа Попри зростання складності, пристрій залишається маленьким і легким — приблизно як поштовий штемпель і тонший за кредитну картку. Замість того щоб проникати в мозок, він розташовується на поверхні черепа та передає світло через кістку. «Червоне світло досить добре проходить крізь тканини», — пояснює Козоровицька. — «Його цілком достатньо, щоб активувати нейрони через кістку черепа». Навчання тварин розпізнавати штучні сигнали мозку Для тестувань використовували мишей, нейрони яких були генетично модифіковані для реагування на світло. Тварин тренували розпізнавати конкретний патерн стимуляції, який означав шлях до винагороди. Під час повторюваних тестів імплантат посилав у чотири ділянки кори визначений сигнал, подібний до закодованого повідомлення. Миші навчалися відрізняти його від інших послідовностей і правильно обирати порт із винагородою. Подальше дослідження штучного сприйняття Після підтвердження того, що мозок може інтерпретувати світлові патерни як значущу інформацію, команда планує випробувати складніші сигнальні послідовності та визначити межу кількості патернів, які мозок здатен навчитися розпізнавати. Майбутні версії пристрою можуть мати ще більше світлодіодів, меншу відстань між ними, більшу площу покриття та нові довжини хвиль для стимуляції глибших ділянок мозку.