Este pequeno implante envia mensagens secretas ao cérebro

O dispositivo é macio e flexível, cabendo sob o couro cabeludo enquanto repousa sobre o crânio. A partir desta posição, envia padrões de luz cuidadosamente controlados através do osso para ativar grupos específicos de neurônios através do córtex.

Sinais cerebrais baseados em luz em modelos animais

Durante os testes, os pesquisadores usaram pequenas rajadas de luz cronometradas com precisão 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 completar 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 ou visuais, o controle de membros robóticos, a melhoria da reabilitação após lesão ou acidente vascular cerebral e a modificação da percepção da dor sem medicamentos.

A obra será lançada na segunda-feira (8 de dezembro) em Neurociência da Natureza.

Criando novos sinais cerebrais com tecnologia micro-LED

“Nossos cérebros estão constantemente transformando a atividade elétrica em experiências, e esta tecnologia nos dá uma maneira de acessar esse processo diretamente”, disse a neurobióloga Yevgenia Kozorovitskiy, da Northwestern, que liderou a parte experimental do estudo. “Esta plataforma nos permite criar sinais inteiramente novos e ver como o cérebro aprende a usá-los. Ela nos aproxima um pouco mais da restauração dos sentidos perdidos após lesões ou doenças, ao mesmo tempo que oferece uma janela para os princípios básicos que nos permitem perceber o mundo.”

John A. Rogers, uma figura importante em bioeletrônica e chefe de desenvolvimento de tecnologia, disse: “O desenvolvimento deste dispositivo exigiu repensar como fornecer estimulação padronizada ao cérebro em um formato que seja minimamente invasivo e totalmente implantável. Ao integrar um conjunto macio e adaptável de micro-LEDs – cada um tão pequeno quanto um único fio de cabelo humano – com um módulo de controle alimentado sem fio, criamos um sistema que pode ser programado em tempo real enquanto permanece completamente sob a pele, sem qualquer efeito mensurável sobre os comportamentos naturais dos animais. Representa um avanço significativo na construção de dispositivos que podem interagir com o cérebro sem a necessidade de fios pesados ou hardware externo volumoso. É valioso tanto no prazo imediato para a pesquisa básica em neurociência quanto no longo prazo para enfrentar os desafios de saúde em humanos.

Kozorovitskiy é professor Irving M. Klotz de Neurobiologia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Chemistry of Life Processes 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 o pesquisador de pós-doutorado Mingzheng Wu.

Avançando em avanços anteriores na optogenética

A pesquisa baseia-se em trabalhos anteriores da mesma equipe. Em 2021, eles relataram o primeiro dispositivo totalmente implantável, programável, sem fio e sem bateria que poderia controlar neurônios com luz. Esse sistema usou uma única sonda micro-LED para influenciar o comportamento social em 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, permitindo uma comunicação mais complexa com o cérebro. Em vez de estimular uma pequena região, 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 fornecer sequências que se assemelham aos padrões de atividade distribuída que o cérebro produz naturalmente durante as experiências sensoriais. Como as sensações reais ativam redes amplas em vez de neurônios isolados, essa abordagem multissite reflete o funcionamento normal do córtex.

“No primeiro artigo, usamos um único micro-LED”, disse Wu. “Agora estamos usando um conjunto de 64 micro-LEDs para controlar o padrão de atividade cortical. O número de padrões que podemos gerar com várias combinações de LEDs – frequência, intensidade e sequência temporal – é quase infinito.”

Um design suave e menos invasivo

Apesar da capacidade adicional, o dispositivo permanece pequeno. É aproximadamente 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 adapta suavemente à superfície do crânio e ilumina o osso.

“A luz vermelha penetra muito bem nos tecidos”, disse Kozorovitskiy. “Atinge profundidade suficiente para ativar neurônios através do crânio”.

Treinando o cérebro para reconhecer padrões sintéticos

Para avaliar o sistema, a equipe trabalhou com ratos projetados para terem neurônios sensíveis à luz no córtex. Os animais foram treinados para associar um padrão específico de estimulação a uma recompensa, geralmente localizada em uma porta específica dentro de uma câmara de testes.

Durante uma série de experimentos, o implante emitiu um padrão definido em quatro regiões corticais, que funcionou como se fosse uma mensagem codificada diretamente no cérebro. Os ratos aprenderam a identificar esse padrão alvo entre muitas alternativas. Quando detectaram o sinal artificial correto, navegaram até o porto apropriado para receber uma recompensa.

“Ao selecionar consistentemente a porta correta, o animal mostrou que recebeu a mensagem”, disse Wu. “Eles não podem usar a linguagem para nos dizer o que sentem, então se comunicam por meio de seu comportamento”.

Desenvolvimento futuro e aplicações mais amplas

Agora que a equipe demonstrou que o cérebro pode interpretar a estimulação luminosa padronizada como informação significativa, eles planejam testar padrões mais sofisticados e determinar quantos sinais distintos o cérebro pode aprender com segurança. Versões futuras do dispositivo poderão incorporar mais LEDs, menor espaçamento entre eles, matrizes maiores cobrindo mais córtex e comprimentos de onda de luz que penetram mais profundamente no tecido.

O estudo, “A optogenética transcraniana sem fio padronizada gera percepção artificial”, recebeu apoio do Querrey Simpson Institute for Bioelectronics, NINDS/BRAIN Initiative, National Institute of Mental Health, One Mind Nick LeDeit Rising Star Research Award, Kavli Exploration Award, Shaw Family Pioneer Award, Simons Foundation, Alfred P. Sloan Foundation e Christina Enroth-Cugell e David Cugell Fellowship.