Cientistas da Northwestern University criaram um dispositivo sem fio que usa luz para transmitir informações diretamente ao cérebro, marcando um grande avanço para a neurobiologia e a bioeletrônica. A tecnologia ignora as vias sensoriais tradicionais do corpo e, em vez disso, fornece sinais diretamente aos neurônios.
O dispositivo é macio e flexível, é instalado sob o couro cabeludo, apoiado no crânio. A partir desta posição, envia padrões de luz cuidadosamente controlados através do osso para ativar grupos específicos de neurônios no córtex cerebral.
Sinais luminosos cerebrais em modelos animais
Nos testes, os pesquisadores usaram pequenas rajadas de luz precisamente cronometradas para estimular populações-alvo de neurônios nas profundezas do cérebro de modelos de camundongos. (Esses neurônios são geneticamente modificados para responder à luz.) Os ratos aprenderam rapidamente a interpretar certos padrões como sinais significativos. Mesmo sem som, visão ou tato, os animais usaram as informações recebidas para tomar decisões e realizar tarefas comportamentais com precisão.
Esta tecnologia poderá um dia suportar uma ampla gama de aplicações médicas. Os usos potenciais incluem o fornecimento de feedback sensorial para membros protéticos, o fornecimento de informações artificiais para futuras próteses auditivas e visuais, o controle de membros robóticos, a melhoria da reabilitação após lesão ou acidente vascular cerebral e a alteração da percepção da dor sem medicamentos.
A obra será exibida na segunda-feira (8 de dezembro) em Neurociência da natureza.
Gerando novos sinais cerebrais com tecnologia Micro-LED
“Nosso cérebro está constantemente convertendo atividade elétrica em experiência, e esta tecnologia nos permite acessar esse processo diretamente”, disse a neurocientista Yevgenia Kozarovitskyi, da Northwestern, que liderou a parte experimental do estudo. “Esta plataforma permite-nos criar sinais completamente novos e ver como o cérebro aprende a utilizá-los. Deixa-nos um pouco mais perto de recuperar os sentidos perdidos após uma lesão ou doença, ao mesmo tempo que abre uma janela para os princípios subjacentes que nos permitem perceber o mundo.”
John A. Rogers, líder de bioeletrônica e chefe de desenvolvimento de tecnologia, disse: “Projetar este dispositivo exigiu repensar como fornecer estimulação cerebral padronizada em um formato que seja minimamente invasivo e totalmente implantável. Ao integrar um conjunto macio e compatível de micro-LEDs – cada um do tamanho de um fio de cabelo humano – com um módulo de controle alimentado sem fio, criamos um sistema que pode ser programado em tempo real, permanecendo completamente sob a pele sem qualquer efeito mensurável no comportamento natural dos animais, este é um avanço significativo na criação de dispositivos que podem interagir com o cérebro sem fios pesados ou hardware externo volumoso.
Kazarowitzki é professor Irving M. Klotz de Neurobiologia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Life Process Chemistry Institute. Rogers ocupa cargos em ciência e engenharia de materiais, engenharia biomédica e cirurgia neurológica, e dirige o Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica. O primeiro autor do estudo é Ph.D. estudante Minzheng Wu.
Avançando avanços anteriores em optogenética
O estudo baseia-se em trabalhos anteriores da mesma equipe. Em 2021, eles relataram o primeiro dispositivo sem fio totalmente implantável, programável, sem baterias, que pode controlar neurônios com luz. Este sistema usou uma única sonda micro-LED para influenciar o comportamento social dos ratos. Ao contrário da optogenética tradicional, que dependia de fios de fibra óptica que restringiam os movimentos, o design sem fio permitiu que os ratos se comportassem normalmente em ambientes sociais.
O novo dispositivo amplia essa capacidade, fornecendo uma conexão mais sofisticada com o cérebro. Em vez de estimular uma pequena área, o sistema atualizado utiliza um conjunto de até 64 micro-LEDs programáveis. Cada luz pode ser controlada de forma independente em tempo real, permitindo aos pesquisadores criar sequências que se assemelham aos padrões de atividade distribuída que o cérebro produz naturalmente durante as experiências sensoriais. Como as sensações reais ativam redes extensas em vez de neurônios isolados, esta abordagem multissítio reflete o funcionamento cortical normal.
“No primeiro trabalho, usamos um único micro-LED”, disse Wu. “Agora usamos um conjunto de 64 micro-LEDs para monitorar o padrão de atividade cortical. O número de padrões que podemos criar com diferentes combinações de LEDs – frequência, intensidade e sequência temporal – é quase infinito.”
Design suave e menos invasivo
Apesar dos recursos adicionais, o dispositivo continua pequeno. É do tamanho de um selo postal e mais fino que um cartão de crédito. Em vez de inserir uma sonda no cérebro, a nova versão se ajusta suavemente à superfície do crânio e ilumina o osso.
“A luz vermelha penetra bem nos tecidos”, disse Kozarovitsky. “Atinge profundidade suficiente para ativar neurônios em todo o crânio.”
Treinando o cérebro para reconhecer padrões sintéticos
Para avaliar o sistema, a equipe trabalhou com ratos que possuíam neurônios responsivos à luz no córtex cerebral. Os animais foram treinados para associar um padrão de estímulo específico a uma recompensa que geralmente estava localizada em uma porta específica da câmara de testes.
Durante uma série de experimentos, o implante forneceu um padrão específico para quatro áreas do córtex cerebral que funcionava como envio de uma mensagem codificada diretamente para o cérebro. Os ratos aprenderam a identificar esse padrão alvo entre muitas alternativas. Quando detectaram o sinal artificial correto, seguiram para o porto apropriado para receber a recompensa.
“Ao selecionar consistentemente a porta correta, o animal indicou que havia recebido a mensagem”, disse Wu. “Eles não conseguem usar a linguagem para nos dizer como se sentem, então se comunicam por meio de seu comportamento”.
Desenvolvimento futuro e aplicação mais ampla
Agora que a equipe demonstrou que o cérebro pode interpretar a estimulação luminosa padronizada como informação significativa, eles planejam testar padrões mais complexos e determinar quantos sinais diferentes o cérebro pode aprender com segurança. Versões futuras do dispositivo podem incluir mais LEDs, distâncias mais curtas entre eles, matrizes maiores que cobrem mais o córtex cerebral e comprimentos de onda de luz que penetram mais profundamente no tecido.
A pesquisa, intitulada “Exemplar Wireless Transcranial Optogenetics Creates Artificial Perception”, foi apoiada pelo Querrey Simpson Institute for Bioelectronics, pela NINDS/BRAIN Initiative, pelo National Institute of Mental Health, pelo One Mind Nick LeDeit Rising Star Research Award, pelo Kavli Exploration Award, pelo Shaw Family Pioneer Award, pela Simons Foundation, pela Alfred P. Sloan Foundation e pela Christina Enroth-Kugel e David Kugel Fellowship.
