Kablosuz pilsiz implante edilebilir fotoelektrik sistem: nöronları kontrol etmek için ışık kullanın!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Arizona Üniversitesi tarafından yapılan bir çalışma, nöronları kontrol etmek için ışık gönderebilen daha rafine bir yöntemi ortaya çıkardı. Bu araştırma sonunda ağrı reseptörlerini kapatabilir veya ciddi nörolojik hastalıkların etkisini azaltabilir.arka fon
Yazar, dünden önceki gün makalede yeni bir tür kablosuz nörostimülatörü tanıttı (epilepsi ve Parkinson hastalığı gibi nörolojik hastalıklar için) ve ayrıca size nörolojik hastalıkların tespiti ve tedavisi ile ilgili yenilikçi teknolojileri gözden geçirdi.
Bugün bu temaya devam edin ve herkes için ilgili yenilikçi bir teknolojiyi tanıtın. Öncelikle nörobilim alanında yeni bir teknolojiden yola çıkarak optogenetiktir.
Optogenetik nedir?
Optogenetik, beyindeki belirli nöron gruplarını açmak veya kapatmak için ışığı kullanan bir biyoteknolojidir. Örneğin, araştırmacılar felçli koşullar altında egzersiz yeteneğini geri kazanmak için veya gelecekte ağrıya neden olan beyin veya omurgayı kapatmak için opioidlere veya diğer ağrı kesicilere olan ihtiyacı ve artan bağımlılıklarını ortadan kaldırmak için optogenetik stimülasyon kullanırlar.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Geçmişte tanıtılan birçok yenilikçi teknoloji gibi, optogenetik de optik, yazılım kontrolü, gen manipülasyon teknolojisi, elektrofizyoloji ve diğer disiplinlerle ilgili bilgileri entegre eden disiplinler arası yenilikçi bir teknolojidir.
Optogenetik teknolojisi, 2010 yılında "Nature Methods" dergisi tarafından tüm bilim ve mühendislik alanlarında "Yıllık En Çok İlgilenilen Teknoloji Başarılarından" biri olarak seçilmiş, aynı yıl "Science" dergisi de 10 yıllık bir teknoloji incelemesinde buna vurgu yapmıştır. ilerleme.
Yüksek zamansal ve uzamsal çözünürlük ve hücre tipi özgüllüğünün iki benzersiz özelliğine sahip olan optogenetik teknoloji, hücre veya organizma aktivitelerini kontrol etmenin geleneksel yöntemlerinin birçok eksikliğinin üstesinden gelir ve nöronlar üzerinde invazif olmayan hassas konumlandırma ve stimülasyon işlemleri gerçekleştirebilir, böylece tamamen değişir Sinirbilim alanındaki araştırma durumu iyileştirildi ve nörobilim için devrim niteliğinde bir araştırma yöntemi sağlandı. Optogenetik teknoloji, gelecekte merkezi sinir sistemi hastalıkları için bir dizi yeni tedavi geliştirebilir.
Son yıllarda, optogenetik teknolojisi hızla gelişmiştir ve uygulamalı araştırma alanları, çok sayıda klasik deneysel hayvan türünü (meyve sinekleri, nematodlar, fareler, sıçanlar, marmosetler, sinomolgus maymunları vb.) Kapsamakta ve birden fazla sinirbilim araştırmasını içermektedir. Nöral devreler üzerine temel araştırmalar, öğrenme ve hafıza araştırmaları, bağımlılık araştırmaları, hareket bozuklukları, uyku bozuklukları, Parkinson hastalığı modelleri, depresyon ve anksiyete hayvan modelleri vb. Dahil uygulamalar açısından.
Yenilikçilik
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Arizona Üniversitesi tarafından yapılan yakın tarihli bir çalışma, nöronları kontrol etmek için ışık gönderebilen daha rafine bir yöntemi ortaya çıkardı. Bu araştırma sonunda ağrı reseptörlerini kapatabilir veya ciddi nörolojik hastalıkların etkisini azaltabilir.
(Resim kaynağı: Philipp Gutruf)
Arizona Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Philipp Gutruf, makalenin ilk yazarıdır. "Nörobilim araştırmalarında pilsiz, multimodal operasyon için tamamen implante edilebilir optoelektronik sistemler" başlıklı makale "Nature Electronics (Nature Electronics)" dergisinde yayınlandı. Elektronik) "dergisi.
teknoloji
Gutruf, "Beynin farklı bölümlerinin nasıl çalıştığını anlamak için araçlar yapıyoruz. Optogenetiğin avantajı, hücre özgünlüğüne sahip olmanızdır, yani belirli nöron gruplarını hedefleyebilir ve bunları beyin boyunca inceleyebilirsiniz. İşlevler ve ilişkilendirmeler. "
Optogenetikte araştırmacılar, belirli nöronları yüklemek ve ışığı nöronal fonksiyonları oluşturan elektriksel potansiyellere dönüştürmek için "opsin" adlı bir protein kullanırlar. Opsinler görsel sistemdeki opsinler ve görsel olmayan sistemdeki opsinler de dahil olmak üzere ışığa duyarlı maddelerin ana bileşenleridir ve görsel görüntüleme ve biyolojik saatin sirkadiyen ritminin senkronizasyonunda hayati rol oynarlar. Araştırmacılar beynin belirli bir bölümüne ışık tuttuğunda, yalnızca opsin yüklü nöronları harekete geçirdi.
Optogenetiğin ilk yinelemesi, bir optik fiber aracılığıyla beyne ışık göndermekti, bu da deneğin konsola bağlı olduğu anlamına geliyordu. Daha sonra araştırmacılar, pil gerektirmeyen bir teknoloji geliştirmek için kablosuz elektronik cihazlar kullandılar, bu da deneklerin özgürce hareket edebilmesi anlamına geliyor.
Bununla birlikte, bu cihazların yine de kendi sınırlamaları vardır: hantaldırlar ve genellikle kafatasının dışına aniden bağlanmaları gerekir, ışığın frekansı veya yoğunluğu ile tam olarak kontrol edilemezler ve bir seferde beynin yalnızca bir bölgesini uyarabilirler.
Gutruf, "Bu araştırma sayesinde, iki ila üç adım ilerledik. Yayılan ışığın yoğunluğu ve frekansı üzerinde dijital kontrol elde edebiliyoruz ve ekipman da çok küçük olduğundan kafa derisinin altına implante edilebilir. Bağımsız da olabiliriz. Daha önce imkansız olan, aynı öznenin beynindeki birden fazla yeri uyaran zemin. "
Işığın yoğunluğunu kontrol etme yeteneği çok önemlidir çünkü bu yetenek, araştırmacıların ışığın beyni ne ölçüde etkilediğini doğru bir şekilde kontrol etmelerine olanak tanır. Işık ne kadar güçlüyse, o kadar uzağa ulaşabilirsiniz. Ek olarak, ışık yoğunluğunu kontrol etmek, nöronların ısı nedeniyle kazara aktivasyonunu önlemek için ışık kaynağı tarafından üretilen ısının kontrol edilmesi anlamına gelir.
Bu kablosuz, pilsiz implant, harici bir salınımlı manyetik alan tarafından desteklenmektedir. Üstelik gelişmiş fonksiyonlara ek olarak, ağırlıkları ve boyutları önceki versiyona göre fazla artmamış. Ayrıca yeni anten tasarımı, optogenetik cihazların önceki sürümlerinde karşılaşılan sorunları çözüyor. Önceki cihazlarda, cihaza iletilen sinyalin gücü beynin açısına göre farklıydı: denek başını çevirdiğinde sinyal zayıflıyordu.
Dijital kontrollü multimodal optogenetik implant (resim kaynağı: referans [2])
Elektronik ve optik özellikler (resim kaynağı: referans [2])
Gelişmiş çok modlu işlem (resim kaynağı: referans [2])
değer
Gutruf, Bu sistem, tek bir muhafaza içinde iki anten içerir. Sinyalleri çok hızlı bir şekilde ileri geri değiştirebiliriz, böylece implant herhangi bir yönde çalıştırılabilir. Gelecekte, bu teknoloji pilsiz implantlar sağlayacaktır. Nesne, cihazı çıkarmaya veya değiştirmeye gerek kalmadan kesintisiz stimülasyon sağlayacak ve mevcut kalp pili veya stimülasyon teknolojisinden daha az travmatik olacaktır. "
Cihazın implantasyon süreci, insanlara nörostimülatörler veya "beyin kalp pilleri" takmanın basit işlemine benzer. Denekler üzerinde olumsuz etkilere neden olmazlar ve işlevleri zamanla vücutta bozulmaz. Bu teknolojinin "kalp pili" benzeri tıbbi ekipmanı ortaya çıkarması bekleniyor ve bu tıbbi cihazlar şu anda her beş ila on beş yılda bir değiştiriliyor.
Bu makale ayrıca, bu cihazların implante edildiği hayvanların, kemik ve doku durumu ve cihaz yerleşimi gibi klinik olarak ilgili parametreleri sağlamak için elektronik bilgisayarlı tomografi (CT) görüntülemesini veya manyetik rezonans görüntülemeyi (MRI) güvenli bir şekilde geçebileceğini göstermektedir. Daha derin bir kavrayış için gelin.
(Resim kaynağı: Philipp Gutruf)
Anahtar kelime
Sinir sistemi, tıbbi, çipReferans
[1] https://news.engineering.arizona.edu/news/controlling-neurons-light-without-wires-or-batteries
[2]
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics
