Ενώ τα εμφυτεύματα που επιτρέπουν στους υπολογιστές να διαβάζουν τη δραστηριότητα που λαμβάνει χώρα στον εγκέφαλο αναπτύσσονται με σταθερό ρυθμό, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν ένα θεμελιώδες πρόβλημα. Οι ανιχνευτές των εμφυτευμάτων που διαβάζουν τη δραστηριότητα βαθιά μέσα στη φαιά ουσία μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα όπως φλεγμονή και ουλές, ενώ τα σήματα που παρέχουν μπορεί να υποβαθμιστούν με την πάροδο του χρόνου. Τα εμφυτεύματα που βρίσκονται στην επιφάνεια του εγκεφάλου δεν έχουν τέτοια προβλήματα, αλλά δεν μπορούν να δώσουν στους επιστήμονες να διαβάσουν τίποτα περισσότερο από τα σήματα που την διαπερνούν.
Τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο (UCSD) έκαναν ένα βήμα που αντιμετωπίζει αυτό το ζήτημα. Δημιούργησαν ένα εξαιρετικά λεπτό φιλμ πολυμερούς αποτελούμενο από δύο στρώματα διαφανών συρμάτων γραφενίου τοποθετημένα γύρω από ένα στρώμα νιτρικού οξέος. Αφού τοποθέτησε το διαφανές φιλμ στους εγκεφάλους διαγονιδιακών ποντικών, η ομάδα μπόρεσε να διαβάσει ως συνήθως επιφανειακά σήματα. Η πραγματική πρόοδος, όμως, προκύπτει επειδή η ταινία είναι διαφανής. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να εκτοξεύσουν ταυτόχρονα λέιζερ μέσα από το φιλμ και να χρησιμοποιήσουν ένα μικροσκόπιο δύο φωτονίων για να απεικονίσουν αιχμές ασβεστίου από νευρώνες που βρίσκονταν έως και 0,25 mm κάτω από την επιφάνεια. Το ασβέστιο είναι ένας βασικός δείκτης του τρόπου με τον οποίο οι νευρώνες μεταδίδουν δεδομένα μεταξύ τους.
Οι ερευνητές μπόρεσαν στη συνέχεια να εκπαιδεύσουν ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης για να καθορίσουν τη σύνδεση μεταξύ της επιφανειακής και της υποεπιφανειακής δραστηριότητας, διδάσκοντάς το ουσιαστικά να κατανοεί τι συμβαίνει βαθύτερα στον εγκέφαλο με βάση αυτά που λαμβάνει ο αισθητήρας από τα επιφανειακά σήματα.
«Επεκτείνουμε τη χωρική εμβέλεια των νευρωνικών εγγραφών με αυτήν την τεχνολογία», δήλωσε σε δελτίο τύπου ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης Duygu Kuzum. «Αν και το εμφύτευμά μας βρίσκεται στην επιφάνεια του εγκεφάλου, ο σχεδιασμός του ξεπερνά τα όρια της φυσικής αίσθησης, καθώς μπορεί να «δει» τη νευρική δραστηριότητα από τα βαθύτερα στρώματα».
Οι ερευνητές για να παρατηρήσουν τη δραστηριότητα του ασβεστίου μέσα στον εγκέφαλο μέχρι τώρα έπρεπε να στερεώσουν το κεφάλι ενός ατόμου κάτω από ένα μικροσκόπιο έως και δύο ώρες. Το νέο όμως εμφύτευμα δεν έχει αυτόν τον περιορισμό.
«Δεδομένου ότι οι ηλεκτρικές εγγραφές δεν έχουν αυτούς τους περιορισμούς, η τεχνολογία μας καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή πειραμάτων μεγαλύτερης διάρκειας στα οποία το άτομο είναι ελεύθερο να κινείται και να εκτελεί περίπλοκες συμπεριφορικές εργασίες», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Mehrdad Ramezani. «Αυτό μπορεί να προσφέρει μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση της νευρωνικής δραστηριότητας σε δυναμικά σενάρια του πραγματικού κόσμου».
Στη συνέχεια, οι ερευνητές θα δοκιμάσουν το εμφύτευμά τους σε άλλα ζωικά μοντέλα με το βλέμμα σε ενδεχόμενες δοκιμές σε ανθρώπους. Μοιράστηκαν επίσης τα ευρήματά τους με άλλα εργαστήρια στις ΗΠΑ και την Ευρώπη με την ελπίδα να επιταχύνουν την ανάπτυξη της τεχνολογίας.
«Αυτή η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές διαφορετικές θεμελιώδεις έρευνες νευροεπιστήμης και είμαστε πρόθυμοι να κάνουμε ό,τι μας αναλογεί για να επιταχύνουμε την πρόοδο στην καλύτερη κατανόηση του ανθρώπινου εγκεφάλου», δήλωσε ο Kuzum.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Technology .
