Μια πρωτοποριακή διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής (Brain-Machine Interface – BMI) αξιοποιεί το φως για να επικοινωνεί απευθείας με τον εγκέφαλο, σύμφωνα με νέα πειράματα σε ποντίκια. Μέσα από αυτή την άμεση σύνδεση, το εμφύτευμα θα μπορούσε στο μέλλον να συμβάλει στην αποκατάσταση χαμένων αισθήσεων ή ακόμη και στη ρύθμιση του πόνου χωρίς τη χρήση φαρμάκων, όπως υποστηρίζουν οι ερευνητές που την ανέπτυξαν.


Πώς λειτουργεί η νέα διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής με φως

Η ελάχιστα επεμβατική συσκευή τοποθετείται κάτω από το κρανίο και λειτουργεί ασύρματα, λαμβάνοντας πληροφορίες με τη μορφή φωτεινών μοτίβων. Τα σήματα αυτά μεταφέρονται σε γενετικά τροποποιημένους νευρώνες στον εγκέφαλο, οι οποίοι έχουν σχεδιαστεί ώστε να ανταποκρίνονται στο φως.

Στη μελέτη, οι συγκεκριμένοι νευρώνες ενεργοποιήθηκαν με τρόπο που μιμείται αισθητηριακά ερεθίσματα, σαν να προέρχονταν από τα μάτια των ποντικιών. Τα ζώα εκπαιδεύτηκαν να αναγνωρίζουν διαφορετικά μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας και να τα συνδέουν με συγκεκριμένες ενέργειες — συγκεκριμένα, να εντοπίζουν πού βρίσκονταν λιχουδιές σε πειραματικές συνθήκες.

Η συσκευή αυτή αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς μια νέα γενιά BMI, ικανών να μεταφέρουν τεχνητές πληροφορίες - στην προκειμένη περίπτωση φωτεινά σήματα LED - χωρίς να βασίζονται στα φυσικά αισθητήρια όργανα, όπως τα μάτια. Έτσι, ανοίγει ο δρόμος για συστήματα που συνδέονται με τον εγκέφαλο χωρίς καλώδια ή ογκώδεις εξωτερικές κατασκευές.

«Η τεχνολογία αυτή είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό εργαλείο για βασική έρευνα», δήλωσε ο Τζον Ρότζερς, ερευνητής βιοηλεκτρονικής στο Northwestern University και επικεφαλής της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στις 8 Δεκεμβρίου στο Nature Neuroscience. Όπως σημείωσε, μακροπρόθεσμα θα μπορούσε να συμβάλει και στην αντιμετώπιση σοβαρών προβλημάτων ανθρώπινης υγείας.


Παράκαμψη του αισθητηριακού συστήματος και ο ρόλος της οπτογενετικής

Η συσκευή, μικρότερη από έναν ανθρώπινο δείκτη, είναι μαλακή και εύκαμπτη ώστε να προσαρμόζεται στην καμπυλότητα του κρανίου. Διαθέτει 64 μικροσκοπικά LED, ηλεκτρονικό κύκλωμα τροφοδοσίας και κεραία λήψης. Η ενεργοποίηση των LED γίνεται μέσω εξωτερικής κεραίας με τεχνολογία επικοινωνίας κοντινού πεδίου (NFC), παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται στις ανέπαφες πληρωμές.

Σε αντίθεση με κλασικά εμφυτεύματα, η συσκευή δεν τοποθετείται απευθείας μέσα στον εγκέφαλο, αλλά κάτω από το δέρμα. «Το φως προβάλλεται διαμέσου του κρανίου και η απόκριση του εγκεφάλου δημιουργείται χάρη στη γενετική τροποποίηση των νευρώνων», εξήγησε ο Ρότζερς.

Επειδή τα εγκεφαλικά κύτταρα δεν ανταποκρίνονται φυσιολογικά στο φως, απαιτήθηκε γονιδιακή παρέμβαση. «Η τροποποίηση αυτή δημιουργεί φωτοευαίσθητα ιοντικά κανάλια», ανέφερε. Όταν το φως τα ενεργοποιεί, επιτρέπουν τη ροή φορτισμένων σωματιδίων, προκαλώντας νευρικά σήματα που μεταδίδονται σε άλλα κύτταρα. Η διαδικασία επιτεύχθηκε με τη χρήση ιικού φορέα, ενός ακίνδυνου ιού που μεταφέρει το γενετικό υλικό σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου.

Η τεχνική αυτή, γνωστή ως οπτογενετική, είναι σχετικά νέα. Προηγούμενες μελέτες είχαν καταφέρει να ενεργοποιήσουν μεμονωμένες ομάδες νευρώνων, όμως η νέα συσκευή επιτρέπει τη ρύθμιση της δραστηριότητας σε εκτεταμένες περιοχές του εγκεφάλου.

«Δεν ενεργοποιούμε μόνο τις περιοχές που σχετίζονται φυσιολογικά με την όραση, αλλά ολόκληρη την επιφάνεια του εγκεφαλικού φλοιού», τόνισε ο Ρότζερς. Με αυτόν τον τρόπο, διαφορετικά φωτεινά μοτίβα δημιουργούν διαφορετικούς “χάρτες” νευρικής δραστηριότητας, σαν να προβάλλεται μια ακολουθία εικόνων απευθείας στον εγκέφαλο.


Μελλοντικές εφαρμογές των BMI σε υγεία και προσθετικά όργανα

Στα πειράματα, τα ποντίκια έλαβαν ασύρματα εντολές μέσω της συσκευής, παρήγαγαν διαφορετικά φωτεινά μοτίβα και έμαθαν να αντιδρούν με συγκεκριμένες κινήσεις. Όταν αναγνώριζαν σωστά το σήμα, ανταμείβονταν με ζαχαρούχο νερό.

Ο Μπιν Χε, καθηγητής νευρομηχανικής στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon, χαρακτήρισε τη μέθοδο καινοτόμο, επισημαίνοντας ότι μπορεί να έχει ευρείες εφαρμογές στη νευροεπιστημονική έρευνα, αλλά και πέρα από αυτή.

Οι επιστήμονες βλέπουν ήδη προοπτικές χρήσης σε προσθετικά μέλη, με δυνατότητα προσθήκης αισθήσεων όπως η αφή ή η πίεση, καθώς και στην αποστολή οπτικών ή ακουστικών σημάτων σε τεχνητά όργανα όρασης ή ακοής.

«Οι οπτογενετικές τεχνικές μόλις αρχίζουν να δοκιμάζονται στον άνθρωπο», σημείωσε ο Ρότζερς, τονίζοντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης φωτός, καθώς δεν απαιτείται άμεση διατάραξη του εγκεφαλικού ιστού. Παρότι τεχνολογικά η πλατφόρμα θα μπορούσε να επεκταθεί και να χρησιμοποιηθεί σε ανθρώπους, απαιτείται ακόμη εκτεταμένη έρευνα.

«Το μεγαλύτερο εμπόδιο παραμένει η ρυθμιστική έγκριση για τη γενετική τροποποίηση», κατέληξε.