Ο υπέρηχος τροφοδοτεί ασύρματες συσκευές που μπορούν να παρακολουθούν τα νεύρα βαθιά μέσα στο σώμα
Μια τεχνολογία με δυνατότητα να θολώσει τα όρια μεταξύ βιολογίας και ηλεκτρονικών μόλις έθεσε ένα σημαντικό εμπόδιο στον αγώνα για την απόδειξη της σκοπιμότητάς της.
Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνια, με επικεφαλής τον
νευροεπιστήμονα Jose Carmena και τον ηλεκτρολόγο μηχανικό και μηχανικό υπολογιστών Michel Maharbiz, παρείχε την πρώτη επίδειξη αυτού που οι ερευνητές αποκαλούν «υπερηχητική νευρική σκόνη» για την παρακολούθηση της νευρικής δραστηριότητας σε ένα εν ζωή ζώο. Κατέγραψαν τη δραστηριότητα στο ισχιακό νεύρο και σε έναν μυ ποδιού ενός αναισθητοποιημένου αρουραίου ως απάντηση στην ηλεκτρική διέγερση που εφαρμόζεται στο πόδι του.«Το εργαστήριό μου πάντα εργαζόταν στο όριο μεταξύ βιολογίας και ανθρωποκαταστευών», λέει ο Maharbiz. «Κατασκευάζουμε μικροσκοπικά gadgets για να διασυνδέουμε συνθετικά πράγματα με βιολογικά πράγματα.» Το έργο δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στο περιοδικό Neuron.
Το σύστημα χρησιμοποιεί υπερήχους τόσο για την ασύρματη επικοινωνία όσο και για την πηγή ενέργειας της συσκευής, εξαλείφοντας τόσο τα καλώδια όσο και τις μπαταρίες. Αποτελείται από έναν εξωτερικό πομποδέκτη και αυτό που η ομάδα αποκαλεί «κόκκο σκόνης» περίπου 0,8x1x3 mm, το οποίο εμφυτεύεται μέσα στο σώμα. Ο πομποδέκτης στέλνει υπερηχητικούς παλμούς σε έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο στο εμφύτευμα, ο οποίος τους μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια για την παροχή ενέργειας. Το εμφύτευμα καταγράφει ηλεκτρικά σήματα στον αρουραίο μέσω ηλεκτροδίων και χρησιμοποιεί αυτό το σήμα για να μεταβάλει τη δόνηση του κρυστάλλου. Αυτές οι δονήσεις αντανακλώνται πίσω στον πομποδέκτη, επιτρέποντας την καταγραφή του σήματος – μια τεχνική γνωστή ως οπισθοσκέδαση.
«Αυτή είναι η πρώτη φορά που κάποιος χρησιμοποιεί υπερήχους ως μέθοδο τροφοδοσίας και επικοινωνίας με εξαιρετικά μικρά εμφυτεύσιμα συστήματα», αναφέρει ένας από τους συγγραφείς της δημοσίευσης, ο Dongjin Seo. «Αυτό ανοίγει μια σειρά εφαρμογών από την άποψη της ενσωματωμένης τηλεμετρίας: να είστε σε θέση να βάλετε κάτι εξαιρετικά μικροσκοπικό, πολύ βαθιά μέσα στο σώμα, το οποίο μπορείτε να σταθμεύσετε δίπλα σε ένα νεύρο, όργανο, μυς ή γαστρεντερικό σωλήνα και να διαβάσετε δεδομένα ασύρματα.»
Η ομάδα σχεδιάζει επίσης να αναπτύξει εμφυτεύματα που μπορούν να διεγείρουν καθώς και να παρακολουθούν τα νεύρα, επιτρέποντας τον έλεγχο κλειστού βρόχου της δραστηριότητας του νευρικού συστήματος. Αυτό έχει πιθανές εφαρμογές στον αναδυόμενο τομέα της βιοηλεκτρικής ιατρικής, η οποία υπόσχεται να παραδώσει μια εντελώς νέα κατηγορία θεραπειών που ονομάζονται electroceuticals (ηλεκτροθεραπείες). Για παράδειγμα, η GlaxoSmithKline ανακοίνωσε πρόσφατα ότι συνεργάζεται με την αδελφή εταιρεία Google Verily Life Sciences για τη δημιουργία της Galvani Bioelectronics, η οποία θα αναπτύσσει εμφυτεύματα που μπορούν να τροποποιήσουν τα νευρικά σήματα σε μια προσπάθεια θεραπείας χρόνιων ασθενειών. Μελέτες σε ζώα δείχνουν ήδη ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του διαβήτη τύπου 2, καθώς και σε πολλές άλλες δυνατότητες. Ο Seo λέει ότι εξετάζουν τη θεραπεία προβλημάτων ελέγχου της ουροδόχου κύστης και της νόσου του εντέρου.
«Ενώ η τεχνολογία είναι ακόμα στα σπάργανα, τα αρχικά αποτελέσματα καταδεικνύουν σαφώς τις δυνατότητες της υπερηχητικής προσέγγισης οπισθοσκέδασης», λέει ο Victor Pikov, επικεφαλής των ερευνητικών πλατφορμών στο GSK Bioelectronics, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα της ομάδας του Μπέρκλεϋ. «Η ομάδα του Μπέρκλεϋ βρίσκεται στο συναρπαστικό δρόμο προς την ανάπτυξη ενός εντελώς νέου τύπου αισθητήρων που θα έχουν εκτεταμένες χρήσεις στη βιοηλεκτρονική ιατρική.»
Τα επόμενα βήματα είναι να ελεγχθεί αν οι κόκκοι σκόνης παραμένουν βιώσιμοι για μεγάλα χρονικά διαστήματα μετά την εμφύτευση και να διεξαχθούν πειράματα σε ξύπνια και ελεύθερα κινούμενα ζώα. Στη συνέχεια, η ομάδα σχεδιάζει να κάνει διάφορες βελτιώσεις.
«Καθώς επικυρώνουμε ότι αυτές οι πλατφόρμες είναι σταθερές για χρόνια χρήση, θα τις κάνουμε μικρότερες, προσθέτοντας πρόσθετες λειτουργίες όπως διέγερση και άλλους τύπους αισθητήρων», λέει ο Maharbiz. «Η ιδέα να χρησιμοποιούμε αισθητήρες για να πάρουμε δεδομένα από το σώμα σας βαθιά σχετικά με το pH, το οξυγόνο, τις χημικές ουσίες, τους όγκους, όλα τα είδη των πραγμάτων, και σε σταθερή επικοινωνία, είναι εξαιρετικά συναρπαστική.»
Η ομάδα σχεδιάζει επίσης να χρησιμοποιήσει πολλούς πομποδέκτες για να παρακολουθεί καλύτερα τους κόκκους εάν κινούνται. Αυτό θα επέτρεπε επίσης στην καθοδήγηση της υπερηχητικής δέσμης ώστε να επικοινωνεί με πολλαπλά εμφυτεύματα.
«Το όραμα είναι να εμφυτεύσουμε αρκετούς τέτοιους κόκκους οπουδήποτε στο σώμα και να έχουμε ένα επίθεμα που στέλνει υπερηχητικά κύματα για να ξυπνήσει τους αισθητήρες και να λάβει πληροφορίες για οποιαδήποτε επιθυμητή θεραπεία», λέει ο Seo. «Όλα θα σφραγιστούν με ένα επίθεμα επάνω από την περιοχή που μπορεί να μιλήσει στα εμφυτεύματα μεμονωμένα ή ταυτόχρονα.»
Ο αρχικός στόχος του έργου ήταν η ανάπτυξη της επόμενης γενιάς διεπαφών εγκεφάλου-μηχανής, αναφέρει ο Seo. Η ομάδα δημοσίευσε μια θεωρητική ανάλυση το 2013 που έδειχνε πως η τεχνική θα μπορούσε να λειτουργήσει με εμφυτεύματα στο μέγεθος των 50 μικρόμετρων, μια κλίμακα συγκρίσιμη με τους νευρώνες. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι νευροεπιστήμονες είναι πώς να βάλουν πράγματα μέσα στον εγκέφαλο χωρίς να βλάψουν ή να διαταράξουν τον ιστό, και μέρος του προβλήματος είναι ότι οτιδήποτε μεγαλύτερο από λίγα κύτταρα τείνει να προκαλεί βιολογικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της φλεγμονής.
Τα τυπικά εμφυτεύματα όχι μόνο βλάπτουν τον ιστό, κάτι που σταδιακά υποβαθμίζει την απόδοσή του· τα καλώδια επίσης που χρειάζονται προκαλούν κίνδυνο μόλυνσης. Τα προηγούμενα ασύρματα εμφυτεύματα είχαν επίσης κρίσιμα μειονεκτήματα, όπως περιορισμένο βάθος και διάρκεια ζωής που κυμαίνεται μεταξύ λίγων μηνών και δύο ετών. Αυτά τα μειονεκτήματα αποδίδονται κυρίως στο γεγονός ότι οι συσκευές χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητισμό (EM). Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν πολύ γρηγορότερα από τον ήχο, που σημαίνει ότι τα μήκη κύματος είναι μακρύτερα για μια δεδομένη συχνότητα. Αυτό περιορίζει το ελάχιστο μέγεθος των εμφυτευμάτων, εφόσον η ασύρματη επικοινωνία χρειάζεται δέκτες παρόμοιων διαστάσεων με τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται. Πιο σύντομα ηλεκτρομαγνητικά μήκη κύματος που θα μπορούσαν να επικοινωνούν με μικροσκοπικά εμφυτεύματα θα ήταν εξαιρετικά υψηλής συχνότητας, κάτι που θα προκαλούσε βλάβη στους ιστούς και δεν θα μπορούσε να διεισδύσει τόσο βαθιά. Οι υπέρηχοι λύνουν αυτά τα προβλήματα.
«Μια μέρα καθώς περπατούσα σε ένα πάρκινγκ, σκέφτηκα ότι ίσως η απάντηση να είναι ο υπέρηχος, επειδή ο μαλακός ιστός είναι σχετικά διαφανής στον υπέρηχο και τα μήκη κύματος είναι τέλεια», λέει ο Maharbiz. «Ενθουσιάστηκα πολύ· ένα είδος στιγμής ΕΥΡΗΚΑ!.»
Εάν η ομάδα μπορεί να αναπτύξει αρκετά μικρά εμφυτεύματα, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τη θεραπεία νευρολογικών διαταραχών, όπως η επιληψία. Θα εμπίπτει επίσης στην αρμοδιότητα της πρωτοβουλίας του Προέδρου Μπαράκ Ομπάμα για την Έρευνα Εγκεφάλου μέσω Προηγμένων Καινοτόμων Νευροτεχνολογιών (BRAIN: Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), η οποία ενθαρρύνει την ανάπτυξη νέων εργαλείων για την επικοινωνία με τον εγκέφαλο.
«Αυτό που είναι συναρπαστικό σε αυτή την έρευνα είναι ότι χρησιμοποιεί μια παλιά τεχνική για την οποία γνωρίζουμε ήδη πολλά και η οποία χρησιμοποιείται καθημερινά σε κλινικά περιβάλλοντα», λέει ο Miyoung Chun, εκτελεστικός αντιπρόεδρος επιστημονικών προγραμμάτων στο Ίδρυμα Kavli (The Kavli Foundation), έναν σημαντικό παίκτη στην πρωτοβουλία BRAIN. «Πολλά νέα εργαλεία που αναπτύχθηκαν στα ζώα, όπως η οπτογενετική, δεν είναι έτοιμα για ανθρώπινη εφαρμογή, αλλά υπάρχουν διαφορετικές ευκαιρίες εδώ· κάτι που φαίνεται πραγματικά συναρπαστικό.»
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου