Professor i biomedicinsk teknik vid University of Arizona, Philipp Gutruf, är första författare på tidningen Helt implanterbar, optoelektroniska system för batterifria, multimodal operation inom neurovetenskaplig forskning, publicerad i Nature Electronics .

Optogenetik är en biologisk teknik som använder ljus för att slå på eller stänga av specifika neurongrupper i hjärnan. Till exempel, forskare kan använda optogenetisk stimulering för att återställa rörelse vid förlamning eller, i framtiden, att stänga av områdena i hjärnan eller ryggraden som orsakar smärta, eliminera behovet av - och det ökande beroendet av - opioider och andra smärtstillande medel.

"Vi gör dessa verktyg för att förstå hur olika delar av hjärnan fungerar, "Gutruf sa." Fördelen med optogenetik är att du har cellspecificitet:Du kan rikta specifika grupper av neuroner och undersöka deras funktion och relation i hela hjärnans sammanhang. "

Inom optogenetik, forskare laddar specifika neuroner med proteiner som kallas opsins, som omvandlar ljus till elektriska potentialer som utgör funktionen av ett neuron. När en forskare lyser ett område i hjärnan, den aktiverar endast de opsin-laddade neuronerna.

De första iterationerna av optogenetik involverade att skicka ljus till hjärnan genom optiska fibrer, vilket innebar att testpersoner var fysiskt bundna till en kontrollstation. Forskare utvecklade en batterifri teknik med trådlös elektronik, vilket innebar att ämnen kunde röra sig fritt.

Men dessa enheter kom fortfarande med sina egna begränsningar - de var skrymmande och fästes ofta synligt utanför skallen, de tillät inte exakt kontroll av ljusets frekvens eller intensitet, och de kunde bara stimulera ett område av hjärnan åt gången.

Tar mer kontroll och mindre utrymme

"Med denna forskning, vi gick två till tre steg längre, "Gutruf sa." Vi kunde implementera digital kontroll över intensiteten och frekvensen av ljuset som sänds ut, och enheterna är väldigt miniatyriserade, så att de kan implanteras under hårbotten. Vi kan också självständigt stimulera flera platser i hjärnan för samma ämne, vilket inte heller var möjligt tidigare. "

Möjligheten att styra ljusets intensitet är kritisk eftersom den tillåter forskare att styra exakt hur mycket av hjärnan ljuset påverkar - ju starkare ljuset är, ju längre det kommer att nå. Dessutom, att styra ljusets intensitet innebär att kontrollera värmen som genereras av ljuskällorna, och undvika oavsiktlig aktivering av neuroner som aktiveras av värme.

Det trådlösa, batterifria implantat drivs av externa oscillerande magnetfält, och, trots deras avancerade förmågor, är inte signifikant större eller tyngre än tidigare versioner. Dessutom, en ny antenndesign har eliminerat ett problem som tidigare versioner av optogenetiska enheter står inför, där styrkan hos signalen som överförs till enheten varierade beroende på hjärnans vinkel:Ett ämne skulle vända huvudet och signalen skulle försvagas.

"Detta system har två antenner i ett hölje, som vi växlar signalen fram och tillbaka mycket snabbt så att vi kan driva implantatet i vilken orientering som helst, "Sa Gutruf." I framtiden, denna teknik kan ge batterifria implantat som ger oavbruten stimulering utan att behöva ta bort eller byta ut enheten, vilket resulterar i mindre invasiva procedurer än nuvarande pacemaker eller stimuleringstekniker. "

Enheter implanteras med ett enkelt kirurgiskt ingrepp som liknar operationer där människor är utrustade med neurostimulatorer, eller "hjärntaktmakare". De orsakar inga negativa effekter på försökspersoner, och deras funktion försämras inte i kroppen med tiden. Detta kan ha konsekvenser för medicintekniska produkter som pacemaker, som för närvarande behöver bytas ut vart femte till femtonde år.

Papperet visade också att djur som är implanterade med dessa enheter säkert kan avbildas med datortomografi, eller CT, och magnetisk resonansavbildning, eller MRT, som möjliggör avancerad insikt i kliniskt relevanta parametrar, såsom tillståndet för ben och vävnad och placeringen av enheten.