Исследователи из Южной Кореи продемонстрировали возможность дистанционного управления беспроводным мозговым имплантатом через Интернет. Команда на устройство была отправлена из США в лабораторию в корейском городе Тэджон, где находилось лабораторное животное с имплантом. Об этом пишет Science Alert.
Как удалось управлять имплантатом через океан?
Расстояние между Чикаго и Тэджоном составляло 10 596 километров. После отправки команда прошла через интернет на компьютер в южнокорейской лаборатории, а уже оттуда беспроводным способом была передана непосредственно на устройство.
В среднем вся система реагировала примерно за 109 миллисекунд. Эксперимент стал прежде всего демонстрацией технических возможностей. Ученые показали, что устройством, взаимодействующим с мозгом, можно управлять из другой страны без физического присутствия исследователя в лаборатории.
Разработку назвали RAPIDO. Ее создали специалисты Корейского передового института науки и технологий KAIST и Университета Енсей. Результаты исследования опубликовали в научном журнале Science Advances.
Одним из потенциальных преимуществ технологии может стать уменьшение влияния человека на результаты экспериментов.
Когда исследователь входит в помещение или приближается к лабораторному животному, его присутствие может изменять поведение животного. Дистанционное управление позволяет активировать оборудование без необходимости каждый раз вступать в контакт с животным. Кроме того, такая система потенциально дает возможность ученым из разных стран участвовать в одном эксперименте.
Имплантат может подавать вещества и свет
RAPIDO достаточно компактен, чтобы лабораторная крыса могла свободно передвигаться, не будучи постоянно подключенной к внешнему оборудованию.
Устройство выполняет две различные функции внутри мозга. Первая – доставка определенного вещества через миниатюрный канал. Вторая – световая стимуляция с помощью небольшого светодиода. Этими функциями можно управлять отдельно. Кроме того, исследователи могут заранее программировать время их активации.
Важным отличием RAPIDO от некоторых предыдущих систем стала возможность использовать многоразовый картридж. Это позволяет проводить длительные эксперименты без необходимости каждый раз заменять весь имплантат.
Наш мозговой имплантат позволяет исследователям проводить повторяемые, длительные и дистанционно управляемые фармакологические и оптические вмешательства у животных, которые могут свободно передвигаться, без необходимости постоянно брать их в руки или заменять имплантат с помощью дополнительной операции, – рассказал ScienceAlert руководитель исследования, инженер-электрик KAIST Че Вон Чон.
"Это дает возможность проводить длительные исследования с меньшим прямым вмешательством и снижает влияние присутствия экспериментатора", – добавил он.
Что произошло, когда имплантат доставил кокаин в мозг?
После демонстрации дистанционного соединения исследователи проверили две основные функции RAPIDO в отдельных экспериментах на крысах.
В первой серии испытаний ученые тестировали систему доставки веществ. Имплантат вводил различные дозы кокаина непосредственно в прилегающее ядро – участок мозга, участвующий в процессах, связанных с вознаграждением и мотивацией. Различные дозы вызывали соответствующие изменения в двигательной активности животных. Важно, что эти эффекты удалось повторить через две, три и четыре недели после имплантации устройства.
Это продемонстрировало, что RAPIDO способен в течение нескольких недель повторно доставлять контролируемые дозы веществ и вызывать измеримые изменения в поведении лабораторных животных. В то же время авторы исследования отдельно подчеркивают: этот эксперимент не был испытанием метода лечения кокаиновой зависимости.
Целью стало подтверждение возможности контролируемого введения веществ в определенный участок мозга и наблюдение за последствиями такого вмешательства.
Второй эксперимент был посвящен другой функции имплантата – световой стимуляции. Для этого исследователи использовали оптогенетику. Это метод, позволяющий сделать определенные клетки или процессы в них чувствительными к свету. В ходе этого эксперимента кокаин вводили крысам не через имплантат, а путем инъекции в брюшную полость. Это было сделано для того, чтобы отдельно изучить влияние света.
Крысы, получавшие кокаин без световой стимуляции, со временем начинали отдавать предпочтение отсеку, который ассоциировался у них с действием наркотического вещества.
В другой группе животных свет от имплантата активировал сигнальный путь RhoA во время формирования этой ассоциации.
В результате эти крысы не сформировали такого же предпочтения к месту, связанному с кокаином. "В совокупности эти эксперименты демонстрируют способность платформы исследовать причинно-следственные связи между конкретными нейронными манипуляциями и поведением", – пояснил Че Вон Чон.
Однако это также не означает, что RAPIDO излечил зависимость от кокаина. Эксперименты были доказательством работоспособности технологии и проводились на крысах. Отсутствие сформировавшегося предпочтения к определенному месту существенно отличается от лечения уже существующей наркотической зависимости.
Сможет ли такая технология когда-нибудь применяться для людей?
Несмотря на успешную демонстрацию дистанционного управления, RAPIDO пока что является исследовательской платформой, а не медицинским устройством для людей.
По словам руководителя исследования, самой большой проблемой остается доказательство долгосрочной безопасности и надежности технологии в человеческом мозге. "Самым большим вызовом является демонстрация долгосрочной безопасности и надежности в человеческом мозге", – отметил Че Вон Чон.
Прежде чем подобное устройство можно будет рассматривать как клиническую технологию, необходимо провести гораздо больше исследований.
В частности, ученым потребуется проверить биологическую совместимость имплантата с организмом, надежность его защитного корпуса, безопасность системы доставки веществ и работу механизмов аварийной защиты. Отдельной сложностью остается оптогенетика. Для ее использования необходимо безопасно доставить к клеткам гены, которые делают их чувствительными к свету.
"На данном этапе этот мозговой имплантат следует рассматривать прежде всего как исследовательскую платформу, которая может помочь в разработке и оценке будущих терапевтических стратегий, а не как готовое клиническое устройство", – подчеркнул Че Вон Чон.
RAPIDO развил предыдущие технологии
Беспроводные имплантаты, способные доставлять вещества и использовать световую стимуляцию, не являются абсолютно новой технологией. Ранее при участии Че Вон Чона уже создавались системы, которыми можно было управлять со смартфона. Они использовали сменные картриджи с веществами и предназначались для экспериментов с лабораторными мышами, которые могли свободно передвигаться.
Главная особенность RAPIDO заключается в объединении нескольких возможностей в одном устройстве.
Новая система способна обеспечивать повторную доставку веществ, проводить целенаправленную световую стимуляцию, работать по заранее запрограммированному сценарию и получать команды через интернет.
Исследование фактически продемонстрировало три ключевых результата.
Во-первых, мозговой имплантат в Южной Корее успешно отреагировал на команду, отправленную из США. Во-вторых, система смогла повторно доставлять кокаин в мозг лабораторных крыс в течение четырех недель после имплантации. В-третьих, в отдельном эксперименте световая стимуляция изменила формирование поведенческого предпочтения, связанного с местом, где животные получали кокаин.
В совокупности эти результаты демонстрируют RAPIDO как дистанционно управляемый инструмент для нейробиологических исследований. Он может помочь ученым более точно изменять отдельные процессы в мозге и наблюдать, как такие изменения влияют на поведение.
До появления подобных технологий в больницах еще очень далеко. Однако эксперимент с командой, отправленной на расстояние 10 596 километров, показал новое направление развития нейронауки – когда исследователь потенциально может управлять сложным экспериментом с помощью мозгового имплантата, находясь на другом континенте.