Cientistas da Northwestern University criaram um dispositivo sem fio que usa luz para transmitir informações diretamente ao cérebro, um grande avanço na neurobiologia e na bioeletrônica. A tecnologia ignora as rotas sensoriais tradicionais do corpo e, em vez disso, fornece sinais diretamente aos neurônios.
O dispositivo é macio e flexível e cabe sob o couro cabeludo enquanto repousa sobre o crânio. A partir deste local, envia padrões de luz cuidadosamente controlados através do osso para ativar grupos específicos de neurônios no córtex.
Sinalização cerebral baseada em luz em modelos animais
Durante os testes, os pesquisadores usaram pulsos de luz minúsculos e precisamente cronometrados para estimular grupos-alvo de neurônios nas profundezas do cérebro de modelos de camundongos. (Esses neurônios foram geneticamente modificados para responder à luz.) Os ratos aprenderam rapidamente a interpretar certos padrões como sinais significativos. Mesmo sem som, visão ou toque, os animais podem usar as informações recebidas para tomar decisões e completar tarefas comportamentais com precisão.
Esta tecnologia poderá um dia suportar uma ampla gama de aplicações médicas. Os usos potenciais incluem o fornecimento de feedback sensorial para membros protéticos, o fornecimento de informações artificiais para futuras próteses auditivas ou visuais, o controle de membros robóticos, a melhoria da recuperação após lesão ou acidente vascular cerebral e a alteração da percepção da dor sem o uso de medicamentos.
A peça será publicada na segunda-feira (8 de dezembro) Neurociência da Natureza.
Usando a tecnologia Micro-LED para criar novos sinais cerebrais
“Nossos cérebros estão constantemente convertendo atividade elétrica em experiências, e esta tecnologia nos dá uma maneira de acessar diretamente esse processo”, disse a neurobióloga Yevgenia Kozorovitskiy, da Northwestern University, que liderou a parte experimental do estudo. “Esta plataforma nos permite criar sinais inteiramente novos e compreender como o cérebro aprende a usá-los. Ela nos aproxima da restauração dos sentidos perdidos após uma lesão ou doença, ao mesmo tempo que fornece uma janela para os fundamentos da percepção do mundo.”
“O desenvolvimento deste dispositivo exigiu repensar a forma de fornecer estimulação padronizada ao cérebro de uma forma minimamente invasiva e totalmente implantável”, disse John A. Rogers, líder em bioeletrônica e chefe de desenvolvimento de tecnologia. “Ao incorporar Micro-LED macio e confortável Ao integrar os arrays (cada um tão pequeno quanto um fio de cabelo humano) com módulos de controle alimentados sem fio, criamos um sistema que pode ser programado em tempo real enquanto permanece completamente sob a pele sem qualquer impacto mensurável no comportamento natural. Ele representa um passo importante na construção de dispositivos que fazem interface com o cérebro sem fios pesados ou hardware externo volumoso, e será valioso tanto no curto prazo para pesquisas básicas em neurociência quanto no longo prazo para resolver desafios de saúde humana. “
Kozorovitskiy é professor Irving M. Klotz de Neurobiologia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Chemistry of Life Processes Institute. Rogers ocupa cargos em ciência e engenharia de materiais, engenharia biomédica e neurocirurgia, e lidera o Quarry Simpson Institute for Bioelectronics. O primeiro autor do estudo é o pesquisador de pós-doutorado Mingzheng Wu.
Avançando nos primeiros avanços optogenéticos
O estudo baseia-se em trabalhos anteriores da mesma equipe. Em 2021, eles relataram o primeiro dispositivo totalmente implantável, programável, sem fio e sem bateria que pode controlar neurônios com luz. O sistema usa uma única sonda micro-LED para influenciar o comportamento social em ratos. Ao contrário da optogenética tradicional, que depende de cabos de fibra óptica que limitam o movimento, o design sem fio permite que os ratos se comportem normalmente em ambientes sociais.
Novos dispositivos ampliam esta capacidade, permitindo comunicações mais sofisticadas com o cérebro. Em vez de estimular uma pequena área, o sistema atualizado utiliza um conjunto de até 64 microLEDs programáveis. Cada luz pode ser controlada de forma independente em tempo real, permitindo aos pesquisadores fornecer sequências que se assemelham aos padrões de atividade distribuída que o cérebro produz naturalmente durante as experiências sensoriais. Como as sensações reais ativam redes amplas em vez de neurônios isolados, esta abordagem multissítio reflete o funcionamento normal do córtex.
“No primeiro artigo, usamos um único micro-LED”, disse Wu. “Agora usamos um conjunto de 64 micro-LEDs para controlar padrões de atividade cortical. Com várias combinações de LEDs (frequência, intensidade e sequência de tempo), o número de padrões que podemos gerar é quase ilimitado.”
Design suave e menos invasivo
Apesar da funcionalidade adicional, o dispositivo ainda é pequeno. É mais ou menos do tamanho de um selo postal e é mais fino que um cartão de crédito. Em vez de inserir uma sonda no cérebro, a nova versão repousa suavemente contra a superfície do crânio e ilumina o osso.
“A luz vermelha penetra muito bem nos tecidos”, disse Kozorowiecki. “É profundo o suficiente para ativar neurônios no crânio”.
Treinando o cérebro para reconhecer padrões abrangentes
Para avaliar o sistema, a equipe trabalhou com ratos projetados para terem neurônios responsivos à luz em seu córtex. Os animais são treinados para associar padrões de estimulação específicos a recompensas, geralmente localizadas em portas específicas dentro da câmara de testes.
Numa série de experiências, o implante forneceu padrões claros em quatro áreas corticais, funcionando como se enviasse informação codificada diretamente para o cérebro. Os ratos aprenderam a reconhecer este padrão alvo entre muitas alternativas. Ao detectar o sinal artificial correto, eles navegam até o porto apropriado para receber uma recompensa.
“Ao selecionar continuamente a porta correta, o animal mostra que recebeu a mensagem”, disse Wu. “Eles não conseguem nos dizer o que sentem por meio de palavras, então se comunicam por meio do comportamento.”
Desenvolvimentos futuros e aplicações mais amplas
Agora que a equipe mostrou que o cérebro pode interpretar estímulos luminosos padronizados como informações significativas, eles planejam testar padrões mais complexos e determinar quantos sinais diferentes o cérebro pode aprender com segurança. Versões futuras do dispositivo podem apresentar mais LEDs mais próximos uns dos outros, matrizes maiores que cobrem mais o córtex e comprimentos de onda de luz que penetram mais profundamente no tecido.
O estudo, “Patterned Wireless Transcranial Optogenetics Generate Artificial Perception”, foi apoiado pelo Querrey Simpson Institute for Bioelectronics, pela NINDS/BRAIN Initiative, pelo National Institute of Mental Health, pelo One Mind Nick LeDeit Rising Star Research Award, pelo Kavli Discovery Award, pelo Shaw Family Pioneer Award, pela Simons Foundation, pela Alfred P. Sloan Foundation e pelas bolsas Christina Enroth-Cugell e David Cugell.
