Дослідники з Південної Кореї продемонстрували можливість дистанційного керування бездротовим мозковим імплантом через інтернет. Команда на пристрій була відправлена зі США до лабораторії в корейському місті Теджон, де перебувала лабораторна тварина з імплантом. Про це пише Science Alert.
Як вдалося керувати імплантом через океан?
Відстань між Чикаго та Теджоном становила 10 596 кілометрів. Після відправлення команда пройшла через інтернет до комп'ютера в південнокорейській лабораторії, а вже звідти бездротовим способом була передана безпосередньо на пристрій.
У середньому вся система реагувала приблизно за 109 мілісекунд. Експеримент став передусім демонстрацією технічних можливостей. Вчені показали, що пристроєм, який взаємодіє з мозком, можна керувати з іншої країни без фізичної присутності дослідника в лабораторії.
Розробку назвали RAPIDO. Її створили фахівці Корейського передового інституту науки і технологій KAIST та Університету Йонсей. Результати дослідження опублікували в науковому журналі Science Advances.
Однією з потенційних переваг технології може стати зменшення впливу людини на результати експериментів.
Коли дослідник заходить до приміщення або наближається до лабораторної тварини, його присутність може змінювати її поведінку. Дистанційне керування дозволяє активувати обладнання без необхідності щоразу контактувати з твариною. Крім того, така система потенційно дає можливість науковцям із різних країн брати участь в одному експерименті.
Імплант може подавати речовини та світло
RAPIDO достатньо компактний, щоб лабораторний щур міг вільно пересуватися, не будучи постійно підключеним до зовнішнього обладнання.
Пристрій виконує дві різні функції всередині мозку. Перша – доставляння певної речовини через мініатюрний канал. Друга – світлова стимуляція за допомогою невеликого світлодіода. Цими функціями можна керувати окремо. Крім того, дослідники можуть заздалегідь програмувати час їхньої активації.
Важливою відмінністю RAPIDO від деяких попередніх систем стала можливість використовувати картридж, який можна повторно заповнювати. Це дозволяє проводити тривалі експерименти без необхідності щоразу замінювати весь імплант.
Наш мозковий імплант дозволяє дослідникам проводити повторювані, довготривалі та дистанційно керовані фармакологічні й оптичні втручання у тварин, які можуть вільно пересуватися, без необхідності постійно брати їх до рук або замінювати імплант за допомогою додаткової операції, – розповів ScienceAlert керівник дослідження, інженер-електрик KAIST Че Вон Чон.
"Це дає можливість проводити довготривалі дослідження з меншим прямим втручанням і знижує вплив присутності експериментатора", – додав він.
Що сталося, коли імплант доставив кокаїн у мозок?
Після демонстрації дистанційного з'єднання дослідники перевірили дві основні функції RAPIDO в окремих експериментах на щурах.
У першій серії випробувань вчені тестували систему доставляння речовин. Імплант вводив різні дози кокаїну безпосередньо в прилегле ядро – ділянку мозку, яка бере участь у процесах, пов'язаних із винагородою та мотивацією. Різні дози викликали відповідні зміни в руховій активності тварин. Важливо, що ці ефекти вдалося повторити через два, три та чотири тижні після імплантації пристрою.
Це продемонструвало, що RAPIDO здатний протягом кількох тижнів повторно доставляти контрольовані дози речовин і викликати вимірювані зміни в поведінці лабораторних тварин. Водночас автори дослідження окремо наголошують: цей експеримент не був тестуванням лікування залежності від кокаїну.
Метою стало підтвердження можливості контрольовано вводити речовини в певну ділянку мозку та спостерігати за наслідками такого втручання.
Другий експеримент був присвячений іншій функції імпланта – світловій стимуляції. Для цього дослідники використали оптогенетику. Це метод, який дозволяє зробити певні клітини або процеси в них чутливими до світла. Під час цього експерименту кокаїн вводили щурам не через імплант, а ін'єкцією в черевну порожнину. Це було зроблено для того, щоб окремо дослідити вплив світла.
Щури, які отримували кокаїн без світлової стимуляції, згодом починали віддавати перевагу відсіку, який асоціювався у них із дією наркотичної речовини.
В іншій групі тварин світло від імпланта активувало сигнальний шлях RhoA під час формування цієї асоціації.
У результаті ці щури не сформували такої самої переваги до місця, пов'язаного з кокаїном. "Разом ці експерименти демонструють здатність платформи досліджувати причинно-наслідкові зв'язки між конкретними нейронними маніпуляціями та поведінкою", – пояснив Че Вон Чон.
Однак це також не означає, що RAPIDO вилікував залежність від кокаїну. Експерименти були доказом працездатності технології та проводилися на щурах. Відсутність сформованої переваги до певного місця суттєво відрізняється від лікування вже існуючої наркотичної залежності.
Чи зможе така технологія колись використовуватися для людей?
Попри успішну демонстрацію дистанційного керування, RAPIDO поки що є дослідницькою платформою, а не медичним пристроєм для людей.
За словами керівника дослідження, найбільшою проблемою залишається доведення довгострокової безпеки та надійності технології в людському мозку. "Найбільшим викликом є демонстрація довгострокової безпеки та надійності в людському мозку", – зазначив Че Вон Чон.
Перш ніж подібний пристрій можна буде розглядати як клінічну технологію, необхідно провести значно більше досліджень.
Зокрема, вченим потрібно буде перевірити біологічну сумісність імпланта з організмом, надійність його захисного корпусу, безпечність системи доставляння речовин і роботу механізмів аварійного захисту. Окремою складністю залишається оптогенетика. Для її використання необхідно безпечно доставити до клітин гени, які роблять їх чутливими до світла.
"На цьому етапі цей мозковий імплант варто розглядати передусім як дослідницьку платформу, яка може допомогти розробляти та оцінювати майбутні терапевтичні стратегії, а не як готовий клінічний пристрій", – підкреслив Че Вон Чон.
RAPIDO розвинув попередні технології
Бездротові імпланти, здатні доставляти речовини та використовувати світлову стимуляцію, не є абсолютно новою технологією. Раніше за участю Че Вон Чона вже створювали системи, якими можна було керувати зі смартфона. Вони використовували змінні картриджі з речовинами та призначалися для експериментів із лабораторними мишами, які могли вільно пересуватися.
Головна особливість RAPIDO полягає в поєднанні кількох можливостей в одному пристрої.
Нова система здатна забезпечувати повторне доставляння речовин, проводити цілеспрямовану світлову стимуляцію, працювати за заздалегідь запрограмованим сценарієм і отримувати команди через інтернет.
Дослідження фактично продемонструвало три ключові результати.
По-перше, мозковий імплант у Південній Кореї успішно відреагував на команду, відправлену зі США. По-друге, система змогла повторно доставляти кокаїн у мозок лабораторних щурів протягом чотирьох тижнів після імплантації. По-третє, в окремому експерименті світлова стимуляція змінила формування поведінкової переваги, пов'язаної з місцем, де тварини отримували кокаїн.
У сукупності ці результати показують RAPIDO як дистанційно керований інструмент для нейробіологічних досліджень. Він може допомогти вченим точніше змінювати окремі процеси в мозку та спостерігати, як такі зміни впливають на поведінку.
До появи подібних технологій у лікарнях ще дуже далеко. Проте експеримент із командою, відправленою через 10 596 кілометрів, показав новий напрямок розвитку нейронауки – коли дослідник потенційно може керувати складним експериментом із мозковим імплантом, перебуваючи на іншому континенті.