Инновационные электронные и оптогенетические технологии в беспроводном управлении мозговой активностью через имплантат

Поскольку человеческий мозг представляет собой систему из почти 100 млрд переплетённых нейронов, чрезвычайно сложно исследовать отдельные нейроны или группы нейронов. Оптогенетика, активно развивающаяся в исследованиях и опытах с моделями на животных примерно с 2005 года, предполагает контроль над конкретными генетически определёнными нейронами, чтобы исследовать их с беспрецедентной точностью для изучения связи и высвобождения нейротрансмиттеров. Исследователи сначала модифицируют нейроны живых мышей, чтобы экспрессировать модифицированный ген посредством светочувствительных рецепторов. Затем уже можно использовать внешний свет для контроля и мониторинга активности мозга живого существа.

Инновационные направления развития на стыке оптогенетики и электроники

Оптогенетика в связке с электроникой даёт большие перспективы развития. Об этом свидетельствуют результаты опыта Северо-западного университета в Иллинойсе по исследованию взаимодействий животных. Основанный на оптогенетике эксперимент с применением вживляемых зондов-световодов, проводившийся на мышах, закончился в мае 2022 года.

Эту передовую технологию для управления с помощью световых импульсов, с помощью тонких гибких зондов, проникающих в биологические ткани, уже называют прорывной в области нейробиологии. Авторы метода: исследователи профессор Джон А. Роджерс (John Rogers), наша бывшая соотечественница профессор-нейробиолог Евгения Коровицкая (Yevgenia Kozorovitskiy) и более 10  их коллег.

Импульсы, передаваемые мышам с помощью лучей света в режиме реального времени, влияют на их поведение, коммуникацию, активность. В основе метода сверхминиатюрный беспроводной имплантируемый транспондер, использующий световые импульсы для активации нейронов животных. Воздействие на нейроны определённой частотой возбуждает их двигательную активность или, наоборот, приводит к пассивности, ослаблению деятельности. Устройство, представленное на рис. 1, работает без элементов питания.

Проектирование устройств без элементов питания можно назвать трендом перспективных идей в области современной электроники, которого придерживаются многие разработчики. Об устройстве электронной медицинской маски с датчиками, работающими автономно от преобразователей света и дыхания, «СоЭл» писала в [1].

Беспроводное управление в режиме реального времени

Устройство представляет собой миниатюрный имплантат без элементов питания с беспроводной цифровой связью. Тонкий, гибкий, беспроводной характер имплантата позволяет мышам быть активными в реалистичной среде, а исследователям – наблюдать за ними. Устройство уже называют элементом «переходной электроники», открывающей новые перспективы в медицине и биомедицинских исследованиях. 

К примеру, биорезорбируемые материалы позволяют создавать диагностические и терапевтические устройства для мониторинга прогрессирующих заболеваний и методов их лечения, проведения электрической, фармакологической, клеточной терапии и даже перепрограммирования генов в формате генной инженерии. Дальность действия (связи, управления) имплантата пока не превышает размеров одного помещения площадью в 20 м². Управление осуществляется с помощью компьютерной программы, следовательно, управляющей моделью может служить ПК, ноутбук, что делает разработку мобильной, автономной и этим даёт ей новые перспективы для дистанционного управления живым организмом через нейронные связи.

Принцип действия устройства

Ограниченное программируемое управление и узкие варианты профилей освещения ограничивают использование существующих устройств.

С появлением новой разработки эти недостатки преодолены – созданы две платформы с возможностью программирования пользователем в реальном времени для нескольких независимых источников света, в конструкциях с креплением на голове и на спине. Миниатюрное беспроводное устройство толщиной 0,5 мм мягко опирается на внешнюю поверхность черепа мыши, а нитевидный световод-зонд одним концом вживляется под кожей, проникая в мозг через крошечный черепной дефект. Миниатюрное устройство использует протоколы связи ближнего радиуса действия.

Исследователи управляют светом по беспроводной связи в режиме реального времени с помощью пользовательского интерфейса на компьютере. Антенна, окружающая вольер с животными, одновременно является передатчиком энергии на беспроводное устройство, что устраняет необходимость в источнике внутреннего питания. Индукция межмозговой нейрональной синхронности в медиальной префронтальной коре мозга, каким бы интеллектуально малым он ни был, формирует импульсы активности, приводящие к взаимодействию внутри групп мелких грызунов.

Проблематика исследований

Для электронных устройств оптогенетики с независимым цифровым контролем над несколькими датчиками-транспондерами одновременно возникли ещё бо́льшие перспективы в прикладной науке, ибо количество одновременно контролируемых управляемых устройств может быть очень большим. Метод управления нейронами с помощью света и вживляемого имплантата теоретически был известен, в частности, с помощью светопроводящих оптоэлектронных волокон проводили эксперименты на мелких грызунах, но двигательная активность «опытных образцов» приводила к тому, что шлейф оптоволокон быстро запутывался, и опыт прекращался. С предыдущими технологиями было затруднительно наблюдать за несколькими животными, взаимодействующими в среде, так как они были «привязаны» шлейфами управления, состоящими из оптоволокон. Поэтому предыдущие исследования в области нейронной оптогенетики ограничивались доступной технологией по передаче световых импульсов.

С помощью программного обеспечения можно дистанционно включать и выключать свет, одновременно наблюдая за поведением животного. Хотя можно было исследовать одно животное в отдельности, с контролем нейронной активности одновременно в гибких паттернах в группах взаимодействующих в среде животных возникали сложности. Ибо волоконно-оптические провода выходили из головы животного и соединялись с внешним источником света.

Достичь перспективного результата опыта удалось только теперь, когда с помощью электронного устройства (рис. 1) воздействие на грызунов стали осуществлять дистанционно беспроводным способом. 

В новом формате удобнее наблюдать социальные взаимодействия грызунов как в группах, так и индивидуально.

Эффект достигнут с помощью двух платформ с возможностью программирования пользователем в реальном времени для нескольких независимых источников света, в конструкциях с креплением на голове и на спине. По мере того как мыши двигались, исследователи воздействовали на них разными импульсами. Так изучают естественное поведение животных, связанное с физическим ограничением передвижения (клетка).

Профессор-исследователь молекулярной биологии Джон Роджерс, получивший недавно престижную премию по совокупности результатов исследований, отзывается об инновационном методе так: «Мозговая активность у изолированных животных интересна, но выход за рамки исследований отдельных людей к изучению сложных, социально взаимодействующих групп является одним из самых важных и захватывающих направлений в нейробиологии. Теперь у нас есть технология для исследования того, как формируются и разрываются связи между людьми в этих группах, и для изучения того, как в результате этих взаимодействий возникают социальные иерархии» [2].

Джон Роджерс, Ph.D в области материаловедения, биомедицинской инженерии и нейрохирургии, награждён Советом Национальной академии наук США престижной премией Джеймса 2022 года в области интеграции науки и технологий. Премия Джеймса присуждается за выдающийся вклад, сделанный учёными, разрабатывающими методы из смежных областей наук для решения актуальной современной проблемы, не поддающейся решению с точки зрения одной только прикладной дисциплины. Исследование «Беспроводные многосторонние устройства для оптогенетических исследований индивидуального и социального поведения» поддержано Национальным научным фондом и национальными институтами здравоохранения США.

Описание эксперимента

Чтобы подтвердить принцип технологии Д. Роджерса, Е. Козоровицкий с коллегами разработали эксперимент по изучению оптогенетического подхода к дистанционному управлению социальными взаимодействиями между парами или группами мышей. Когда мыши находились рядом друг с другом в замкнутом пространстве (клетка размерами 1×1 м), по беспроводной сети, управляющей имплантатом, исследователи синхронно активировали набор нейронов в области мозга, связанной с исполнительной функцией высшего порядка, заставляя их увеличивать частоту и продолжительность социальных взаимодействий. Это иллюстрирует рис. 2.

При воздействии через вживлённый зонд-волновод одинаковой частотой 5 Гц действия грызунов были синхронны. Стимуляция разными частотами вызывает эффект десинхронизации у той же пары мышей. Это иллюстрирует рис. 3.

Так, в групповом формате исследователи смогли заставить произвольно выбранную пару грызунов взаимодействовать больше, чем другие. Это подтверждение верности гипотезы о нейронной синхронности в социальном поведении. Кроме того, возникли перспективы продолжения исследования зависимости поведения испытуемых живых организмов от частоты световых импульсов. При воздействии с разными частотами (отличие в 5 раз) грызуны вели себя неодинаково. Параллельно проводятся исследования зависимости активности поведения грызунов от силы и частоты электромагнитных импульсов малого тока, приводящих к минивибрации имплантата. Но это уже другой эксперимент в нейробиологии.

Перспективы электроники в связи с нейробиологией

Инженерные исследования оптоэлектронных и тепловых свойств электронного имплантата определяют перспективные возможности и конструктивные особенности дальнейших разработок, подчёркивая возможности программируемости беспроводных оптогенетических платформ в реальном времени. Имплантируемые миниатюрные устройства с беспроводным управлением и интегрированными в них датчиками пульса, давления, температуры живого организма представляют привлекательный набор атрибутов для будущих исследований. Ведь ранее были объективные технические ограничения, несовместимые с традиционными оптоволоконными подходами или имплантатами с питанием от батарей или аккумуляторов. Другая перспектива описанного метода в возможностях – влиять на поведение крупных млекопитающих, одним из видов которых является человек разумный. Ещё одно перспективное направление исследований – оптогенетику – в сочетании с электронными разработками можно применять для лечения слепоты и даже паралича конечностей.

Литература

1. Кашкаров А.П. Новейшие разработки в области медицинской электроники для борьбы с вирусом и не только // Современная электроника. 2022. № 3. С. 8.
2. Вестник Северо-западного университета, Иллинойс. Имплантированное беспроводное устройство для оптогенетических исследований индивидуального поведения мышей. // URL: https://news.northwestern.edu/stories/2021/05/implanted-wireless-device-triggers-mice-to-form-instan.... 
3. Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors. Nature Neuroscience. // URL: https://www.nature.com/articles/s41593-021-00849-x. 
4. Bassett D.S. & Sporns O. Network neuroscience. Nat. Neurosci. 20, pp. 353–364 (2017).
5. Klapoetke N.C. et al. Independent optical excitation of distinct neural populations. Nat. Methods 11, pp. 338–346 (2014).