Ο τρόπος με τον οποίο διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου επικοινωνούν μεταξύ τους αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της νευροεπιστήμης. Πολλές από τις διαθέσιμες τεχνολογίες μπορούν να καταγράψουν ή να διεγείρουν τη δραστηριότητα σε συγκεκριμένα σημεία, όμως η ταυτόχρονη μελέτη διαφορετικών βάθων και περιοχών του εγκεφάλου παραμένει δύσκολη. Παράλληλα, η χρήση άκαμπτων εμφυτευμάτων μπορεί να προκαλέσει ερεθισμό και φλεγμονώδεις αντιδράσεις στον εγκεφαλικό ιστό. Μια ερευνητική ομάδα από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας, Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, University College London και άλλα ιδρύματα ανέπτυξε μια διαφορετική προσέγγιση. Πρόκειται για ένα εύκαμπτο, λεπτό εμφύτευμα που μπορεί ταυτόχρονα να καταγράφει νευρικά σήματα, να χορηγεί ουσίες σε διαφορετικά σημεία του εγκεφάλου και να διεγείρει νευρώνες με φως. Η συσκευή ονομάζεται microfluidic Axialtrode ή mAxialtrode και έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε οι διαφορετικές λειτουργίες της να κατανέμονται κατά μήκος της ίδιας ίνας.
Το mAxialtrode έχει διάμετρο μικρότερη από μισό χιλιοστό και αποτελείται από μαλακό, πολυμερικό υλικό. Στο εσωτερικό του διαθέτει έναν πυρήνα που μεταφέρει φως, ενώ γύρω του βρίσκονται οκτώ μικροσκοπικά κανάλια. Τα κανάλια αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά υγρών, αλλά και για την ενσωμάτωση πολύ λεπτών μεταλλικών καλωδίων που καταγράφουν την ηλεκτρική δραστηριότητα των νευρώνων.
Ο σχεδιασμός επιτρέπει στην ίδια συσκευή να λειτουργεί σε διαφορετικά βάθη του εγκεφάλου. Έτσι, αντί η διέγερση ή η καταγραφή να περιορίζεται αποκλειστικά στην άκρη ενός εμφυτεύματος, οι ερευνητές μπορούν να εξετάζουν περισσότερες από μία περιοχές κατά μήκος της ίδιας ίνας.
Η ευκαμψία αποτελεί επίσης βασικό χαρακτηριστικό. Επειδή το εμφύτευμα μπορεί να ακολουθεί περισσότερο τις κινήσεις του εγκεφαλικού ιστού, οι ερευνητές επιδιώκουν να περιορίσουν τη μηχανική καταπόνηση που μπορεί να προκαλέσουν πιο άκαμπτες συσκευές. Η συγκεκριμένη προσέγγιση έχει ιδιαίτερη σημασία για μακροχρόνιες εφαρμογές, καθώς η αντίδραση του εγκεφάλου γύρω από ένα εμφύτευμα αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τη λειτουργία τέτοιων συστημάτων.
Δοκιμές σε ποντίκια
Η νέα τεχνολογία δεν περιορίστηκε σε εργαστηριακές δοκιμές. Οι ερευνητές εμφύτευσαν τη συσκευή στον εγκέφαλο ποντικιών και συνέδεσαν το σύστημα με πηγές φωτός, εξοπλισμό καταγραφής και μηχανισμούς χορήγησης υγρών.
Τα πειράματα έδειξαν ότι ήταν δυνατό να διεγερθούν νευρικά κύτταρα με μπλε και κόκκινο φως, ενώ παράλληλα καταγραφόταν η ηλεκτρική δραστηριότητα από διαφορετικά βάθη. Οι ερευνητές μπόρεσαν να καταγράψουν δραστηριότητα τόσο από τον εγκεφαλικό φλοιό όσο και από βαθύτερες περιοχές, όπως ο ιππόκαμπος.
Παράλληλα, διαφορετικές ουσίες μπορούσαν να χορηγηθούν σε διαφορετικά σημεία του εγκεφάλου, με τις θέσεις χορήγησης να απέχουν μεταξύ τους έως περίπου τρία χιλιοστά. Το γεγονός ότι όλες αυτές οι λειτουργίες πραγματοποιήθηκαν μέσω μίας μόνο ελαφριάς ίνας αποτελεί ένα από τα βασικά τεχνολογικά χαρακτηριστικά της προσέγγισης.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι τα πειραματόζωα μπορούσαν να φέρουν τη συσκευή χωρίς εμφανή σημάδια δυσφορίας κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι η συσκευή μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ταυτόχρονη παρακολούθηση και τροποποίηση της νευρικής δραστηριότητας.
Ενδιαφέρον για επιληψία και άλλες νευρολογικές παθήσεις
Η τεχνολογία αναπτύχθηκε αρχικά ως εργαλείο βασικής έρευνας και όχι ως έτοιμη θεραπευτική συσκευή. Ωστόσο, οι δυνατότητές της θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμες στην κατανόηση παθήσεων στις οποίες εμπλέκονται διαφορετικά κυκλώματα και επίπεδα του εγκεφάλου, μεταξύ άλλων η επιληψία.
Οι ερευνητές αναφέρουν ως πιθανή μελλοντική εφαρμογή τον συνδυασμό στοχευμένης χορήγησης φαρμάκων με ηλεκτρική ή φωτεινή διέγερση συγκεκριμένων περιοχών. Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε θεωρητικά να επιτρέψει πολύ πιο τοπική παρέμβαση, περιορίζοντας την ανάγκη για πολλαπλά εμφυτεύματα και επιτρέποντας παράλληλα την καταγραφή της αντίδρασης του εγκεφάλου.
Ωστόσο, η απόσταση από ένα επιτυχημένο πείραμα σε ζώα μέχρι μια ασφαλή και αποτελεσματική εφαρμογή σε ανθρώπους είναι μεγάλη. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι απαιτούνται περαιτέρω δοκιμές, τεχνική εξέλιξη και οι απαραίτητες εγκρίσεις πριν εξεταστεί η χρήση της τεχνολογίας σε ασθενείς. Η ομάδα βρίσκεται ήδη στη διαδικασία κατοχύρωσης της σχετικής τεχνολογίας και διερευνά τις δυνατότητες μελλοντικής κλινικής αξιολόγησης.
Το ενδιαφέρον της συγκεκριμένης προσέγγισης βρίσκεται επομένως στην ενοποίηση λειτουργιών που μέχρι σήμερα απαιτούσαν διαφορετικά εργαλεία. Ένα μόνο εύκαμπτο εμφύτευμα μπορεί να φωτίζει και να διεγείρει νευρώνες, να καταγράφει τη δραστηριότητά τους και να μεταφέρει ουσίες σε επιλεγμένα σημεία του εγκεφάλου, προσφέροντας στους ερευνητές ένα νέο εργαλείο για τη μελέτη των πολύπλοκων νευρωνικών κυκλωμάτων.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Science.
