Ενέσιμα Οπτοηλεκτρονικά Σε Κυτταρική Κλίμακα Με Εφαρμογές Ασύρματης Οπτογενετικής

Τα τελευταία χρόνια στο χώρο των νευροεπιστημών παρατηρείται μία τάση για ενσωμάτωση ποικίλων στοιχείων και ηλεκτρονικών μικροσυσκευών σε συγκεκριμένες και καθορισμένες περιοχές στο εσωτερικό του εγκεφάλου. Η επιτυχής και ολοκληρωμένη ενσωμάτωση αυτών των εξελιγμένων αισθητήρων, φωτεινών πηγών και άλλων εξειδικευμένων συσκευών σε ζωντανούς οργανισμούς θα επιταχύνει τις εξελίξεις στο χώρο της κλινικής τεχνολογίας μέσα στα επόμενα χρόνια ενώ θα βελτιώσει τη δυνατότητα της ανθρώπινης παρεμβολής στις νευρικές λειτουργίες και τη μέτρηση πολλών βιοχημικών διεργασιών.

Η ομάδα του John Rogers από το Πανεπιστήμιο του Illinois ασχολείται με την οπτογενετική, δηλαδή τη γενετική τροποποίηση νευρώνων ώστε να αντιδρούν όταν δέχονται φως. Στο χώρο αυτό οι μέθοδοι αυτοί χρησιμοποιούνται για την εξέταση των νευρωνικών δικτύων σε διάφορες περιπτώσεις, από τον εθισμό στα ναρκωτικά μέχρι και τη Νόσο του Πάρκινσον. Η ερευνητική αυτή ομάδα κατασκεύασε συσκευές (probes) που περιέχουν αισθητήρες και LEDs, μικρότερες από οπτικές ίνες και πολύ περισσότερο συμβατές από αυτές με τους ανθρώπινους ιστούς. Οι συσκευές αυτές είναι επίσης ελάχιστα διεισδυτικές. Όπως είναι φυσικό, οι συγκεκριμένες ιδιότητες συμβάλλουν τα μέγιστα στην ελαχιστοποίηση του τραυματισμού των ιστών. Επίσης, οι συσκευές αυτές παίρνουν ενέργεια και κατευθύνονται ασύρματα έτσι ώστε να μην επηρεάζουν την ελεύθερη κίνηση και τις κοινωνικές και φυσικές συμπεριφορές των ζωντανών οργανισμών στους οποίους εμφυτεύονται. Οι συσκευές αυτές, εκτός από το να εμπλέκονται στη νευρική λειτουργία με τη χρήση LED, μπορούν να εμπεριέχουν ηλεκτρόδια που διεγείρουν και καταγράφουν ηλεκτρική δραστηριότητα ή θερμικούς αισθητήρες που λειτουργούν και ως μικροπομποί θερμότητας.

Σε ένα από τα πειράματα της ερευνητικής ομάδας του Rogers, εμφυτεύθηκαν τέτοιες συσκευές στον εγκέφαλο ποντικιών. Κατόπιν, με δέσμες φωτός ενεργοποίησαν τις συσκευές και διέγειραν τους νευρώνες στο σημείο του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνο για το «αίσθημα της ανταμοιβής». Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα ποντίκια με ενεργοποιημένες τις συσκευές έμαθαν να μένουν περισσότερη ώρα στο ένα μέρος ενός λαβυρίνθου σε σχήμα Υ, ακριβώς σαν να είχαν ανταμοιφθεί με τροφή.

Ερευνητές πιστεύουν ότι σε αντίθεση με τα σύγχρονα μεταλλικά ηλεκτρόδια τα οποία δεν μπορούν να στοχεύσουν σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνα, η οπτογενετική μπορεί να εστιάσει μόνο στους νευρώνες που εντοπίζεται το πρόβλημα. Αυτό θα δώσει λύσεις σε χειρουργικές θεραπείες που στοχεύουν σε ασθενείς με κινητικά προβλήματα, κατάθλιψη ανθεκτική στα φάρμακα κλπ.

Πηγές:

1. Miller G. (2013), “Tiny Injectable LEDs Manipulate the Brain with Light”
http://www.wired.com/wiredscience/2013/04/light-brain/
2. Kim et al. (2013). «Injectable, Cellular-Scale Optoelectronics with Applications for Wireless Optogenetics», Science
http://www.sciencemag.org/content/340/6129/211