Northwestern Üniversitesinden bilim insanları, vücudun doğal duyusal yollarını atlayarak, bilgiyi doğrudan beyne ışık desenleri yoluyla ileten kablosuz bir cihaz geliştirdi. Nature Neuroscience dergisinde yayımlanan çalışmaya göre, yumuşak ve esnek cihaz, kafatasının üstünde fakat derinin altında yer alıyor, kemiğin içinden geçerek korteks boyunca nöronları harekete geçiren hassas ışık desenleri yayıyor.
Deneylerde bilim insanları, cihazın küçük, desenli ışık patlamalarını kullanarak, fare modellerinin beyinlerinin derinliklerindeki belirli nöron gruplarını harekete geçirdi. Bu nöronların genetiği, ışığa tepki verecek şekilde değiştirilmişti. Fareler, desenleri anlamlı sinyaller olarak yorumlamayı hızla öğrendi ve tanıyıp kullanabildi. Dokunma, görme veya duyma gibi doğal duyular devre dışı kalmasına rağmen, hayvanlar karar vermek için bilgi aldı ve davranışsal görevleri başarıyla tamamladı.
Geliştirilen teknoloji; protez uzuvlar için duyusal geri bildirim sağlama, gelecekteki görme veya işitme protezleri için yapay uyaranlar verme, opioid veya sistemik ilaçlar olmadan ağrı algısını düzenleme, felç veya yaralanma sonrası rehabilitasyonu geliştirme, robotik uzuvları beyinle kontrol etme gibi çeşitli tedavi uygulamalarında kullanım potansiyeline sahip.
Kablolara ve harici donanımlara gerek kalmıyor
Phys org’un haberine göre, deneysel çalışmaları yöneten Nörobiyolog Profesör Yevgenia Kozorovitskiy, “Beynimiz sürekli olarak elektriksel aktiviteyi deneyimlere dönüştürüyor ve bu teknoloji, bu sürece doğrudan müdahale etmemizin yolunu sunuyor.” dedi. Kozorovitskiy ayrıca, platformun, yaralanma veya hastalık sonrası kaybedilen duyuları geri getirmeye bir adım daha yaklaştırdığını, dünyayı algılama şeklimizin temel prensiplerine de yeni bir pencere açtığını belirtti.
Teknoloji geliştirme çalışmalarına liderlik eden Biyoelektronik Profesörü John A. Rogers ise, şu şekilde konuştu:
“Bu cihazı geliştirmek, beyne minimal invaziv ve tamamen implante edilebilir bir formatta desenli uyarımı nasıl sağlayacağımızı yeniden düşünmeyi gerektirdi. Her biri tek bir insan saçı teli kadar küçük, yumuşak ve uyumlu bir mikro LED dizisini kablosuz olarak çalıştırılan bir kontrol modülüyle entegre ederek, hayvanların doğal davranışları üzerinde ölçülebilir bir etkisi olmadan, tamamen deri altında kalarak gerçek zamanlı olarak programlanabilen bir sistem oluşturduk.
Bu, kablolara veya büyük harici donanıma ihtiyaç duymadan beyinle arayüz oluşturabilen cihazlar geliştirmede önemli bir adım teşkil ediyor. Hem kısa vadede temel nörobilim araştırmaları hem de uzun vadede insanlardaki sağlık sorunlarına çözüm bulmak için değerli.”
Beyin aktivitesinin doğal desenlerini taklit ettiler
Kozorovitskiy ve Rogers’ın yer aldığı yeni çalışma, ikilinin, nöronları ışıkla kontrol edebilen ilk tamamen implante edilebilir, programlanabilir, kablosuz ve pilsiz cihazlarını tanıttığı önceki araştırmalardan yola çıkarak geliştirildi.
Yine Nature Neuroscience’da 2021’de yayımlanan önceki çalışma, farelerde sosyal davranışı etkilemek için tek bir mikro LED prob kullanmıştı. Önceki optogenetik (nöronları ışıkla kontrol etme yöntemi) araştırmaları, fareleri kısıtlayan fiberoptik kablolar gerektirirken, bu kablosuz versiyon hayvanların sosyal ortamlarda normal görünmesini ve davranmasını sağladı.
Yeni versiyon, beyinle daha zengin ve esnek bir iletişim kurmayı sağlayarak araştırmayı bir adım öteye taşıyor. Tek bir nöron bölgesini etkinleştirip devre dışı bırakma yeteneğinin ötesine geçen yeni cihaz, 64 adede kadar mikro LED’den oluşan programlanabilir bir diziye sahip.
Araştırmacılar, her bir LED üzerinde gerçek zamanlı kontrol sayesinde, doğal duyumlar sırasında oluşan dağınık aktiviteye benzeyebilecek karmaşık dizileri beyne gönderebiliyor. Gerçek duyusal deneyimler küçük, yerel nöron gruplarını değil, dağınık kortikal ağları harekete geçirdiğinden, çok bölgeli bu tasarım daha doğal beyin aktivitesi desenlerini taklit ediyor.
Rogers ile Kozorovitskiy laboratuvarlarında doktora sonrası araştırmacı olan makalenin ilk yazarı Mingzheng Wu, “İlk makalede tek bir mikro LED kullandık. Şimdi ise kortikal aktivitenin desenini kontrol etmek için 64 mikro LED’den oluşan bir dizi kullanıyoruz. Frekans, yoğunluk ve zamansal dizi olmak üzere çeşitli LED kombinasyonlarıyla (frekans, yoğunluk ve zamansal dizi) üretebileceğimiz desen sayısı neredeyse sonsuz.” dedi.
Posta pulu büyüklüğünde
Yeni cihaz, bir posta pulu büyüklüğünde ve bir kredi kartından daha ince olmasının yanı sıra daha az invaziv. Yumuşak ve esnek cihaz, kafatasındaki küçük bir açıklıktan beyne uzanmak yerine kafatasının yüzeyine uyum sağlıyor ve kemiğin içinden ışık geçiriyor.
Makale yazarları, kırmızı ışığın dokulara oldukça iyi nüfuz ettiğini, kafatasındaki nöronları aktive edecek kadar derinlere ulaşabildiğini belirtti.
Sistemi test etmek için araştırmacılar ilk önce ışığa duyarlı kortikal nöronlara sahip olacak şekilde farelerin genetiklerini değiştirdi. Daha sonra fareleri, belirli bir beyin uyarım deseni ile bir ödülü ilişkilendirmeleri için eğitti. Genellikle bu görev, bir odadaki belirli bir bölmeyi ziyaret etmeyi içeriyordu.
Testlerde, implant dört kortikal bölgeye belirli bir desen iletti, adeta sinir devrelerine doğrudan bir kod yazmak gibi. Fareler, bu hedef deseni onlarca alternatif arasından tanımayı hızla öğrendi. Hedef desenin taşıdığı yapay sinyalleri kullanarak, ödülü almak için doğru bölmeyi seçtiler.
Araştırmacılara göre, hayvan, sürekli olarak doğru bağlantı noktasını seçerek mesajı aldığını gösterdi. Ne hissettiklerini dil aracılığıyla anlatamayacakları için davranışlarıyla iletişim kurdular.
Makale yazarları, beynin desenli uyarımı anlamlı sinyaller olarak yorumlayabildiğini gösterdikten sonra, daha karmaşık desenler test etmeyi ve beynin kaç farklı deseni öğrenebileceğini araştırmayı planlıyor.
Gelecek çalışmalarında, daha fazla LED, LED’ler arasında daha dar aralıklar, korteksin daha büyük bölümünü kaplayan daha geniş diziler ve beyne daha derin nüfuz eden ışık dalga boylarını yapmayı hedefliyorlar.
Kaynak: Nature Neuroscience