Фильтр по тематике

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

В статье рассматривается имплантированное электронное беспроводное устройство со световодным зондом как элемент оптогенетических исследований индивидуального поведения живых организмов. Перспективу разработки на стыке электроники нейробиологии и оптогенетики трудно переоценить. Управление двигательной активностью, реакциями, аппетитом и даже сном – продолжение пути эволюционирующего технического прогресса.

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).

Комментарии
Рекомендуем
Электронные датчики и радары  в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas электроника

Электронные датчики и радары в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas

В будущем разработчиков РЭА ожидает эра «одноразовых» устройств: «установил и забыл» – надёжные, устойчивые к внешним воздействиям среды, но не предназначенные для ремонта. Одна из важных решаемых задач – сочетание сбора энергии из среды, её преобразование в электрическую и применение датчиков и микроконтроллеров с крайне низким энергопотреблением. В сочетании с технологиями E-peas (Electronic portable energy autonomous systems – автономные портативные электронные системы), LOP (с низким энергопотреблением) и решениями NXP возникают перспективы датчиков положения, давления и измерения сопутствующих величин от OEM-производителей. С аппаратными настройками и масштабируемостью производительности РЭА в формате процессоров S32R с исключением ошибок в передаче данных аналогового и смешанного сигнала беспроводным способом на небольшие расстояния. В статье представлены примеры системных решений для организации и управления питания датчиков РЭА, задействованных в беспроводной передаче данных, сетевых технологиях и транспортной технике с беспроводной сетью ОТА (Over-the-air – по воздуху).
СЭ №4/2024 20 0