Philipp Gutruf, hoogleraar biomedische technologie aan de Universiteit van Arizona, is eerste auteur van het artikel Volledig implanteerbaar, opto-elektronische systemen voor batterijloze, multimodale operatie in neurowetenschappelijk onderzoek, gepubliceerd in Natuur Elektronica .

Optogenetica is een biologische techniek die licht gebruikt om specifieke neurongroepen in de hersenen aan of uit te zetten. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen optogenetische stimulatie gebruiken om beweging te herstellen in geval van verlamming of, in de toekomst, om de delen van de hersenen of de wervelkolom uit te schakelen die pijn veroorzaken, het elimineren van de behoefte aan - en de toenemende afhankelijkheid van - opioïden en andere pijnstillers.

"We maken deze hulpmiddelen om te begrijpen hoe verschillende delen van de hersenen werken, "Zei Gutruf. "Het voordeel van optogenetica is dat je celspecificiteit hebt:je kunt je richten op specifieke groepen neuronen en hun functie en relatie onderzoeken in de context van het hele brein."

In de optogenetica, onderzoekers laden specifieke neuronen met eiwitten die opsins worden genoemd, die licht omzetten in elektrische potentialen die de functie van een neuron vormen. Wanneer een onderzoeker licht schijnt op een deel van de hersenen, het activeert alleen de opsin-geladen neuronen.

De eerste iteraties van optogenetica waren het sturen van licht naar de hersenen via optische vezels, wat betekende dat proefpersonen fysiek werden vastgebonden aan een controlestation. Onderzoekers ontwikkelden een batterijloze techniek met behulp van draadloze elektronica, wat betekende dat de proefpersonen vrij konden bewegen.

Maar deze apparaten hadden nog steeds hun eigen beperkingen - ze waren omvangrijk en vaak zichtbaar buiten de schedel bevestigd, ze lieten geen nauwkeurige controle toe van de frequentie of intensiteit van het licht, en ze konden slechts één deel van de hersenen tegelijk stimuleren.

Meer controle en minder ruimte

“Met dit onderzoek we gingen twee tot drie stappen verder, Gutruf zei. "We waren in staat om digitale controle te implementeren over de intensiteit en frequentie van het uitgestraalde licht, en de apparaten zijn erg geminiaturiseerd, zodat ze onder de hoofdhuid kunnen worden geïmplanteerd. We kunnen ook onafhankelijk meerdere plaatsen in de hersenen van hetzelfde onderwerp stimuleren, wat vroeger ook niet mogelijk was."

Het vermogen om de intensiteit van het licht te regelen is van cruciaal belang omdat het onderzoekers in staat stelt om precies te bepalen hoeveel van de hersenen het licht beïnvloedt - hoe helderder het licht, hoe verder het zal reiken. In aanvulling, het regelen van de intensiteit van het licht betekent het regelen van de warmte die door de lichtbronnen wordt gegenereerd, en het vermijden van de onbedoelde activering van neuronen die door warmte worden geactiveerd.

De draadloze, batterijloze implantaten worden aangedreven door externe oscillerende magnetische velden, en, ondanks hun geavanceerde mogelijkheden, zijn niet significant groter of zwaarder dan eerdere versies. In aanvulling, een nieuw antenneontwerp heeft een probleem geëlimineerd waarmee eerdere versies van optogenetische apparaten werden geconfronteerd, waarbij de sterkte van het signaal dat naar het apparaat wordt verzonden, varieerde afhankelijk van de hoek van de hersenen:een persoon zou zijn hoofd draaien en het signaal zou verzwakken.

"Dit systeem heeft twee antennes in één behuizing, waarmee we het signaal zeer snel heen en weer schakelen, zodat we het implantaat in elke richting kunnen voeden, "Zei Gutruf. "In de toekomst, deze techniek kan batterijloze implantaten opleveren die ononderbroken stimulatie bieden zonder dat het apparaat hoeft te worden verwijderd of vervangen, wat resulteert in minder invasieve procedures dan de huidige pacemaker- of stimulatietechnieken."

Apparaten worden geïmplanteerd met een eenvoudige chirurgische procedure die vergelijkbaar is met operaties waarbij mensen worden uitgerust met neurostimulatoren, of 'hersenpacemakers'. Ze veroorzaken geen nadelige effecten op proefpersonen, en hun functionaliteit neemt na verloop van tijd niet af in het lichaam. Dit kan gevolgen hebben voor medische apparaten zoals pacemakers, die momenteel om de vijf tot vijftien jaar moeten worden vervangen.

Het artikel toonde ook aan dat dieren die met deze apparaten zijn geïmplanteerd veilig kunnen worden afgebeeld met computertomografie, of CT, en magnetische resonantie beeldvorming, of MRI, die geavanceerde inzichten mogelijk maken in klinisch relevante parameters zoals de toestand van bot en weefsel en de plaatsing van het apparaat.