Małoinwazyjne badania aktywności neuronalnej w mózgu
Naukowcy z University of California w San Diego opisali właśnie duży krok w kierunku stworzenia implantów łączących mózg z komputerem, umożliwiających prowadzenie minimalnie inwazyjnych badań aktywności neuronalnej w mózgu. Powstał cienki, przezroczysty i giętki implant, który po umieszczeniu na powierzchni mózgu pozwala podglądać działanie komórek mieszczących się głębiej.
Takie narzędzie może znacząco przyspieszyć rozwój medycyny i neurobiologii. Dzięki wszczepowi można będzie np. badać, jak ukrwienie mózgu wpływa na jego aktywność elektryczną, czy jak pewne komórki tworzą ślady pamięciowe.
– Z pomocą tej technologii rozszerzamy zakres, w którym można rejestrować działanie neuronów. Choć nasz implant umieszcza się na powierzchni mózgu, jego możliwości wykraczają poza rejestrowanie bezpośrednich fizycznych oddziaływań i może on zbierać informacje o neuronalnej aktywności w głębszych warstwach – mówi prof. Duygu Kuzum, autor publikacji, która ukazała się w piśmie „Nature Nanotechnology”.
Dotąd możliwe było albo obserwowanie neuronów na powierzchni dzięki minimalnie inwazyjnych implantów, albo badanie głębszych warstw mózgu dzięki wprowadzanym do niego igieł.
Z wykorzystaniem AI
Badania na myszach potwierdziły, iż implant może działać na dwa sposoby. Po pierwsze dzięki umieszczonych w nim elektrod mierzył aktywność elektryczną neuronów na powierzchni mózgu. W tym samym czasie badacze przez przezroczysty wszczep oświetlali laserem głębsze warstwy, co pozwoliło zaobserwować aktywność jonów wapnia w obecnych tam komórkach. Ruch tych jonów może wiele powiedzieć o działaniu komórek nerwowych.
Informacje uzyskane z różnych warstw badacze wprowadzili następnie do systemu sztucznej inteligencji, który nauczył się dokładnie przewidywać aktywność komórek w głębszych warstwach na podstawie danych o samej aktywności warstwy powierzchniowej. Dzięki temu można więc już badać tylko warstwę powierzchniową, aby uzyskać wiedzę o tym, co dzieje się także głębiej.
Kluczem do sukcesu były przede wszystkim dwa elementy – grafen, który umożliwił stworzenie ultracienkich, przezroczystych elektrod, a także AI, która nauczyła się dedukować działanie głębiej położonych neuronów.
– Integracja sygnałów elektrycznych i optycznego obrazowania aktywności neuronalnej wykonalna jest wyłącznie dzięki tej technologii. Prowadzenie obu eksperymentów jednocześnie dostarcza nam bardziej adekwatnych danych, ponieważ możemy obserwować, w jaki sposób eksperymenty obrazowe są czasowo powiązane z rejestrowaniem sygnałów elektrycznych – wyjaśnia prof. Kuzum.
W dalszych etapach naukowcy chcą testować swoją technologię na innych gatunkach zwierząt, z ostatecznym celem sprawdzenia jej na ludziach.
– Technologia ta może być wykorzystana naprawdę w wielu podstawowych badaniach z dziedziny neuronauki. Z entuzjazmem chcemy wykonać naszą część pracy, aby przyspieszyć postępy w lepszym zrozumieniu ludzkiego mózgu – podkreśla specjalista.
.
