Имплантируемая оптоэлектроника

Имплантируемая оптоэлектроника - гибкая система, состоящая из электродов, светодиодов, фотодетекторов и термосенсоров, была разработана для имплантации в мозг животного и управляется с помощью беспроводного радиочастотного приемника, прикрепленного к его черепу.

Новые технологии в медицине

Оптогенетики недавно разработали технику, которая использует световые карты и датчики мозговой активности, необходимые для генетических модификаций мозговых клеток животного и ввода оптоволокна и электропроводов в мозг.

Громоздкие провода и оптоволокно находятся снаружи черепа и мешают не только движениям животного, но и затрудняет проведение некоторых сложных экспериментов, а также, может привести к возникновению болезни Паркинсона, аддикции, дипрессии и повреждению спинного мозга.

Но сейчас ультратонкие, гибкие устройства с большим количеством светодиодов и сенсоров соразмерных клеткам головного мозга, обещают сделать оптогенетику беспроводной. Эти устройства величиной 20 микрометров могут быть безопасно введены в мозг, а их управление и питание осуществляется с помощью радиочастотных сигналов. По словам разработчиков, эта технология может применяться и к другим частям тела и широко использоваться в медицинской диагностике и терапии.

Ученые-оптогенетики модифицировали нейроны, чтобы они стали чувствительнее к специфическим длинам волн света. Сияющий свет на измененных нейронах включает или выключает их, позволяя ученым контролировать специфику определенных областей головного мозга и изменять поведение животного.

Майкл Бручас (Michael Bruchas) - нейрофизиолог Вашингтонского университета в Сент-Луисе хотел разработать беспроводную альтернативу оптоволокну, так как провода ограничивают природное поведение животных. Как сказал Майкл Бручас “Мы не можем проводить некоторые эксперименты с привязанными животными, если, скажем, нам нужно, чтобы двое животных взаимодействовали между собой или просто жили в природной среде”. Поэтому он объединился с Джоном Роджерсом в Иллинойсском университете в Урбана-Шампейне, чтобы спроектировать новую систему, базированную на чрезвычайно тонких полупроводниковых схемах. Ученые опубликовали свои результаты в одной из статей журнала Science.

Имплант представляет собой набор из четырех разных оптоэлектронных устройств, которые разработчики создали отдельно на гибком полимерном субстрате и которые наклеены один на другой. Первый и самый верхний слой это платиновый микроэлектрод для стимуляции и зондирования нейронов. Ниже расположен кремниевый фотодетектор с последующей группой из четырех микроскопических светодиодов, каждый из которых величиной 50 на 50 микрометров. Последним идет термосенсор на платиновой основе. Нить связывающая этот набор устройств наклеена на микроиглу клеем на шелковой основе, который растворяется как только устройство достигнет целевого места, позволяя разработчикам вынуть иглу обратно.

Техника производства мембранных устройств не нова. Она разработана несколько лет назад в лаборатории Джона Роджерса. Эти устройства включают в себя полупроводниковые пленки, расслаивающиеся по одной с помощью штампа и переносятся на пластиковые субстраты.

Ученые могли использовать мультифункциональную систему для стимуляции и зондирования мозга различными путями, поясняет Бручас. Микроэлектроды могут измерять электрические сигналы вырабатываемые нейронами, что также может использоваться для их стимуляции. Фотодиоды обеспечивают работу светодиодов, но они так же могут использоваться для определения световых сигналов генерируемых нейронами, которые были генетически модифицированы, чтобы определять флуоресцентные белки.

Микросветодиоды, равные по размеру отдельным нейронам, могут приводить их в действие, в отличие от оптоволоконных имплантов, обычно используемых в оптогенетике, которые в четыре раза шире. Исследователи так же могут комбинировать светодиоды различных цветов в одном устройстве, чтоб одновременно контролировать нейроны, которые реагируют на разные цвета. Такое мультиплексирование позволяет ученым анализировать участки головного мозга более точно, говорит Бручас. Датчик температуры показывающий уровень тепла, генерируемого светодиодами, предотвращает перегревание материала.

Когда ученые установили устройство, которое присоединялось к радиочастотному модулю питания оборудованному на голове животного, внутри мозга живых мышей это не вызывало ни воспаления ни инфекции. Чтобы опробовать возможности системы изменять поведение животных, исследователи вмонтировали его ближе к особой группе нейронов, которую они генетически изменили для высвобождения дофамина по световому сигналу. Дофамин является важной частью “системы поощрения” мозга, так как вызывает чувство удовольствия, например от вкусной еды или секса и играет важную роль в наркозависимости.

В этом эксперименте мыши были помещены в лабиринт. Когда животные находили в нем нужное место, исследователи активировали диоды, включая и выключая их, для высвобождения дофамина. Животные быстро научились обнаруживать нужный маршрут, для получения новой порции удовольствия.

“Устройство иллюстрирует интеграцию миниатюрных полупроводниковых приборов глубоко в ткани, будь то мозг или сердце, или другой орган”, говорит Роджерс. Более утонченные кремниевые схемы будут использоваться для имплантации в будущем, говорит он, прокладывая путь для их применения в медицинской диагностике, мониторинге и лечении.

“Работа показывает нам как миниатюризация и системная интеграция ведет нас к новым устройствам и приложениям”, говорит Томас Штиглиц - профессор в отделе микросистемной техники Фрайбургского университета в Германии. Штиглиц и его коллеги также пытаются разработать беспроводные, возможно, биоразлагаемые импланты для оптогенетики.

“Способность выполнять беспроводную стимуляцию и зондирование открывает перед нами новые пути развития поведенческой неврологии, позволяющие исследовать более сложные черты поведения, такие как социальные взаимодействия и репродуктивное поведение”, говорит Кей Тай - профессор неврологии Массачусетского технологического института.