Με διαστάσεις περίπου 300 μικρόμετρα μήκος και 70 μικρόμετρα πλάτος, το MOTE τροφοδοτείται από κόκκινη και υπέρυθρη ακτινοβολία λέιζερ, η οποία περνά με ασφάλεια μέσα από τον εγκέφαλο
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell ανέπτυξαν ένα εξαιρετικά μικρό νευρικό εμφύτευμα, μικρότερο από κόκκο αλατιού, ικανό να παρακολουθεί ασύρματα τη δραστηριότητα του εγκεφάλου σε ζωντανά ζώα για πάνω από ένα χρόνο — ένα σημαντικό βήμα για τη μακροχρόνια και ελάχιστα επεμβατική νευροεπιστημονική έρευνα.
Η συσκευή, με την ονομασία Microscale Optoelectronic Tetherless Electrode (MOTE), αναπτύχθηκε υπό την καθοδήγηση των Alyosha Molnar, Καθηγητή Ηλεκτρολόγων και Υπολογιστικών Μηχανικών στο Cornell, και Sunwoo Lee από το Nanyang Technological University, ο οποίος ξεκίνησε την ανάπτυξη της τεχνολογίας ενώ εργαζόταν στο εργαστήριο του Molnar.
Με διαστάσεις περίπου 300 μικρόμετρα μήκος και 70 μικρόμετρα πλάτος, το MOTE τροφοδοτείται από κόκκινη και υπέρυθρη ακτινοβολία λέιζερ, η οποία περνά με ασφάλεια μέσα από τον εγκέφαλο.
Στέλνει τα δεδομένα μέσω μικροσκοπικών παλμών υπέρυθρου φωτός, κωδικοποιώντας τα ηλεκτρικά σήματα του εγκεφάλου.
Ένα ημιαγώγιμο διόδος από αλουμινογαλλιοαρσενίδιο συλλέγει την ενέργεια του φωτός για να τροφοδοτήσει το κύκλωμα και ταυτόχρονα εκπέμπει φως για τη μετάδοση δεδομένων. Το εμφύτευμα περιλαμβάνει ενισχυτή χαμηλού θορύβου και οπτικό κωδικοποιητή, παρόμοιο με αυτούς που χρησιμοποιούνται σε συνηθισμένα μικροτσίπ.
«Όσο γνωρίζουμε, αυτό είναι το μικρότερο νευρικό εμφύτευμα που μπορεί να μετράει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου και να τη μεταδίδει ασύρματα», δήλωσε ο Molnar. «Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο παλμικής διαμόρφωσης θέσης (pulse position modulation) — όπως γίνεται στις δορυφορικές επικοινωνίες — μπορούμε να στέλνουμε δεδομένα με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας».
Μακροχρόνια δοκιμή σε ζώα
Μετά τις πρώτες δοκιμές σε κυτταρικές καλλιέργειες, οι ερευνητές εμφύτευσαν το MOTE στον εγκεφαλικό φλοιό των ποντικιών που επεξεργάζεται τις αισθητηριακές πληροφορίες από τα μουστάκια.
Κατά τη διάρκεια 12 μηνών, η συσκευή κατέγραψε συνεχώς τόσο νευρωνικούς σπασμούς όσο και συναπτική δραστηριότητα, ενώ τα ποντίκια παρέμεναν υγιή και ενεργά.
Τα παραδοσιακά ηλεκτρόδια και οπτικές ίνες συχνά ερεθίζουν τον εγκέφαλο ή προκαλούν ανοσολογικές αντιδράσεις λόγω μεγέθους και ακαμψίας.
Το μικροσκοπικό μέγεθος του MOTE έχει σχεδιαστεί ώστε να ελαχιστοποιεί αυτά τα προβλήματα, ενώ καταγράφει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου ταχύτερα από τις οπτικές απεικονίσεις και χωρίς την ανάγκη γενετικής τροποποίησης των νευρώνων.
Επεκτάσιμες εφαρμογές
Λόγω της ημιαγώγιμης σύστασής του, το εμφύτευμα μπορεί να λειτουργεί με ασφάλεια ακόμα και κατά τη διάρκεια MRI, κάτι που δεν είναι δυνατό με τα μεταλλικά ηλεκτρόδια.
Η τεχνολογία θα μπορούσε να προσαρμοστεί για χρήση στον νωτιαίο μυελό ή να ενσωματωθεί σε τεχνητές κρανιακές πλάκες για συνεχή παρακολούθηση.
Ο Molnar είχε σκεφτεί για πρώτη φορά την ιδέα του MOTE το 2001, αλλά η ενεργή ανάπτυξη ξεκίνησε γύρω στο 2013 μέσω της Cornell Neurotech, μιας συνεργασίας μεταξύ του Κολλεγίου Τεχνών και Επιστημών και του Κολλεγίου Μηχανικών του Cornell.
Αυτή η επιτυχία αποτελεί σημαντικό ορόσημο για το μέλλον της ασύρματης, βιο-ενσωματωμένης παρακολούθησης του εγκεφάλου, με πιθανές εφαρμογές στην έρευνα νευροεπιστήμης, διασύνδεση εγκεφάλου-υπολογιστή και ιατρική διάγνωση.
www.worldenergynews.gr
Η συσκευή, με την ονομασία Microscale Optoelectronic Tetherless Electrode (MOTE), αναπτύχθηκε υπό την καθοδήγηση των Alyosha Molnar, Καθηγητή Ηλεκτρολόγων και Υπολογιστικών Μηχανικών στο Cornell, και Sunwoo Lee από το Nanyang Technological University, ο οποίος ξεκίνησε την ανάπτυξη της τεχνολογίας ενώ εργαζόταν στο εργαστήριο του Molnar.
Με διαστάσεις περίπου 300 μικρόμετρα μήκος και 70 μικρόμετρα πλάτος, το MOTE τροφοδοτείται από κόκκινη και υπέρυθρη ακτινοβολία λέιζερ, η οποία περνά με ασφάλεια μέσα από τον εγκέφαλο.
Στέλνει τα δεδομένα μέσω μικροσκοπικών παλμών υπέρυθρου φωτός, κωδικοποιώντας τα ηλεκτρικά σήματα του εγκεφάλου.
Ένα ημιαγώγιμο διόδος από αλουμινογαλλιοαρσενίδιο συλλέγει την ενέργεια του φωτός για να τροφοδοτήσει το κύκλωμα και ταυτόχρονα εκπέμπει φως για τη μετάδοση δεδομένων. Το εμφύτευμα περιλαμβάνει ενισχυτή χαμηλού θορύβου και οπτικό κωδικοποιητή, παρόμοιο με αυτούς που χρησιμοποιούνται σε συνηθισμένα μικροτσίπ.
«Όσο γνωρίζουμε, αυτό είναι το μικρότερο νευρικό εμφύτευμα που μπορεί να μετράει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου και να τη μεταδίδει ασύρματα», δήλωσε ο Molnar. «Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο παλμικής διαμόρφωσης θέσης (pulse position modulation) — όπως γίνεται στις δορυφορικές επικοινωνίες — μπορούμε να στέλνουμε δεδομένα με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας».
Μακροχρόνια δοκιμή σε ζώα
Μετά τις πρώτες δοκιμές σε κυτταρικές καλλιέργειες, οι ερευνητές εμφύτευσαν το MOTE στον εγκεφαλικό φλοιό των ποντικιών που επεξεργάζεται τις αισθητηριακές πληροφορίες από τα μουστάκια.
Κατά τη διάρκεια 12 μηνών, η συσκευή κατέγραψε συνεχώς τόσο νευρωνικούς σπασμούς όσο και συναπτική δραστηριότητα, ενώ τα ποντίκια παρέμεναν υγιή και ενεργά.
Τα παραδοσιακά ηλεκτρόδια και οπτικές ίνες συχνά ερεθίζουν τον εγκέφαλο ή προκαλούν ανοσολογικές αντιδράσεις λόγω μεγέθους και ακαμψίας.
Το μικροσκοπικό μέγεθος του MOTE έχει σχεδιαστεί ώστε να ελαχιστοποιεί αυτά τα προβλήματα, ενώ καταγράφει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου ταχύτερα από τις οπτικές απεικονίσεις και χωρίς την ανάγκη γενετικής τροποποίησης των νευρώνων.
Επεκτάσιμες εφαρμογές
Λόγω της ημιαγώγιμης σύστασής του, το εμφύτευμα μπορεί να λειτουργεί με ασφάλεια ακόμα και κατά τη διάρκεια MRI, κάτι που δεν είναι δυνατό με τα μεταλλικά ηλεκτρόδια.
Η τεχνολογία θα μπορούσε να προσαρμοστεί για χρήση στον νωτιαίο μυελό ή να ενσωματωθεί σε τεχνητές κρανιακές πλάκες για συνεχή παρακολούθηση.
Ο Molnar είχε σκεφτεί για πρώτη φορά την ιδέα του MOTE το 2001, αλλά η ενεργή ανάπτυξη ξεκίνησε γύρω στο 2013 μέσω της Cornell Neurotech, μιας συνεργασίας μεταξύ του Κολλεγίου Τεχνών και Επιστημών και του Κολλεγίου Μηχανικών του Cornell.
Αυτή η επιτυχία αποτελεί σημαντικό ορόσημο για το μέλλον της ασύρματης, βιο-ενσωματωμένης παρακολούθησης του εγκεφάλου, με πιθανές εφαρμογές στην έρευνα νευροεπιστήμης, διασύνδεση εγκεφάλου-υπολογιστή και ιατρική διάγνωση.
www.worldenergynews.gr
