Bir Saniyeden Daha Kısa Sürede Hedeflenen Beyin Devrelerinin Kablosuz Aktivasyonu

Özet: Yeni geliştirilen bir sistem, meyve sineklerindeki belirli beyin ağlarını bir saniyeden daha kısa bir sürede uzaktan etkinleştirmek için kablosuz teknolojiyi kullanıyor.

Kaynak: Pirinç Üniversitesi

Rice Üniversitesi nöromühendisleri tarafından yönetilen bir araştırma ekibi, meyve sineklerindeki belirli beyin devrelerini bir saniyeden kısa sürede uzaktan etkinleştirmek için kablosuz teknoloji yarattı.

Yayınlanan bir gösteride Doğa MalzemeleriRice, Duke Üniversitesi, Brown Üniversitesi ve Baylor Tıp Fakültesi’nden araştırmacılar, bir muhafaza içinde serbestçe hareket eden meyve sineklerinin vücut pozisyonlarını kontrol eden hedeflenen nöronları harekete geçirmek için manyetik sinyaller kullandılar.

Rice’ta elektrik ve bilgisayar mühendisliğinde doçent ve Rice’s’ın bir üyesi olan çalışma yazarı Jacob Robinson, “Beyni incelemek veya nörolojik bozuklukları tedavi etmek için bilim topluluğu hem inanılmaz derecede hassas hem de minimal invaziv araçlar arıyor” dedi. Nöromühendislik Girişimi.

“Manyetik alanlarla seçilmiş sinir devrelerinin uzaktan kontrolü, nöroteknolojiler için bir nevi kutsal bir kâsedir. Çalışmamız bu hedefe doğru önemli bir adım atıyor çünkü uzaktan manyetik kontrolün hızını artırıyor ve onu beynin doğal hızına yaklaştırıyor.”

Robinson, yeni teknolojinin nöral devreleri, genetik olarak tanımlanmış nöronların manyetik stimülasyonu için daha önce gösterilen en iyi teknolojiden yaklaşık 50 kat daha hızlı aktive ettiğini söyledi.

Robinson, “Baş yazar Charles Sebesta, sıcaklık değişim hızına duyarlı yeni bir iyon kanalı kullanma fikrine sahip olduğu için ilerleme kaydettik” dedi.

“Genetik mühendisliği, nanoteknoloji ve elektrik mühendisliği uzmanlarını bir araya getirerek tüm parçaları bir araya getirebildik ve bu fikrin işe yaradığını kanıtladık. Bu gerçekten, birlikte çalışacak kadar şanslı olduğumuz birinci sınıf bilim adamlarının bir ekip çalışmasıydı.”

Araştırmacılar, ortak bir çiftleşme hareketi olan sineklerin kısmen kanatlarını açmasına neden olan nöronlarda ısıya duyarlı özel bir iyon kanalını ifade etmek için genetik mühendisliğini kullandılar.

Araştırmacılar daha sonra uygulanan bir manyetik alanla ısıtılabilen manyetik nanoparçacıkları enjekte ettiler. Bir tepe kamerası, bir elektromıknatısın üzerindeki bir muhafaza etrafında serbestçe dolaşan sinekleri izledi. Araştırmacılar, mıknatısın alanını belirli bir şekilde değiştirerek nanoparçacıkları ısıtabilir ve nöronları aktive edebilirler.

Deneylerden elde edilen bir video analizi, manyetik alan değişikliğinin yaklaşık yarım saniyesinde kanat-yayılma duruşunu üstlenen genetik modifikasyonlara sahip sinekleri gösterdi.

Robinson, genetik olarak hedeflenen hücreleri belirli zamanlarda aktive etme yeteneğinin, beyni incelemek, hastalıkları tedavi etmek ve doğrudan beyin-makine iletişim teknolojisi geliştirmek için güçlü bir araç olabileceğini söyledi.

Robinson, cerrahi olmayan, kablosuz, beyinden beyine iletişim için kulaklık teknolojisi geliştirmeye yönelik iddialı bir proje olan MOANA’nın baş araştırmacısıdır. “Manyetik, optik ve akustik sinir erişimi”nin kısaltması olan MOANA, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) tarafından bir kişinin görsel korteksindeki nöral aktiviteyi hem “okuyabilen” hem de kodunu çözebilen ve “yazabilen” kulaklık teknolojisi geliştirmek için finanse edilmektedir. ” veya başka bir kişinin beynindeki bu aktiviteyi kodlayın. Manyetogenetik teknoloji, ikincisinin bir örneğidir.

Robinson’ın ekibi, kör olan hastalara görme yetisini kısmen geri kazandırma hedefine doğru çalışıyor. MOANA araştırmacıları, beynin görme ile ilgili kısımlarını uyararak, gözleri artık çalışmasa bile hastalara bir görme hissi vermeyi umuyorlar.

Robinson, “Bu çalışmanın uzun vadeli amacı, insanlarda beynin belirli bölgelerini terapötik amaçlarla, ameliyat yapmak zorunda kalmadan aktive etmek için yöntemler oluşturmak” dedi. “Beynin doğal hassasiyetine ulaşmak için muhtemelen saniyenin birkaç yüzde birine kadar bir yanıt almamız gerekiyor. Yani daha gidilecek yol var.”

Rice çalışması ortak yazarları arasında Sebesta, Daniel Torres Hinojosa, Joseph Asfouri, Guillaume Duret, Kaiyi Jiang, Linlin Zhang, Qingbo Zhang ve Gang Bao yer alıyor.Ek ortak yazarlar arasında Boshuo Wang, Zhongxi Li, Stefan Goetz ve Duke of Duke; Zhen yer alıyor. Brown’dan Xiao ve Vicki Colvin ve Baylor’dan Herman Dierick.

Finansman: Araştırma, DARPA (N66001-19-C-4020), Ulusal Bilim Vakfı (1707562), Welch Vakfı (C-1963) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01MH107474) tarafından finanse edildi.

Bu nöroteknoloji araştırma haberleri hakkında

Soyut

Serbest hareket eden sineklerde seçili sinir devrelerinin saniye altı çok kanallı manyetik kontrolü

Genetik olarak hedeflenen hücrelerin tam olarak zamanlanmış aktivasyonu, nöral devrelerin incelenmesi ve hücre bazlı tedavilerin kontrolü için güçlü bir araçtır.

Hücre aktivitesinin manyetik kontrolü veya sıcaklığa duyarlı iyon kanallarının manyetik nanoparçacık ısıtması kullanılarak ‘manyetogenetik’, derin doku uygulamaları ve serbestçe hareket eden hayvan çalışmaları için nöronların uzaktan, invazif olmayan aktivasyonunu sağlar.

Bununla birlikte, termal manyetogenetiğin in vivo tepki süresi şu anda onlarca saniyedir, bu da nöral aktivitenin kesin zamansal modülasyonunu önler. Ayrıca, manyetogenetik, farklı nöron gruplarının in vivo çoğullanmış uyarımını henüz sağlamamıştır.

Burada saniyenin altında davranışsal tepkiler üretiyoruz. Drosophila melanogaster manyetik nanoparçacıkları hıza duyarlı bir termoreseptör (TRPA1-A) ile birleştirerek. Ayrıca, manyetik nanoparçacıkları farklı manyetik alan kuvvetlerine ve frekanslarına yanıt verecek şekilde ayarlayarak, saniyenin altında, çok kanallı stimülasyon elde ederiz.

Bu sonuçlar, manyetogenetiği, optogenetik ile mümkün olan geçici çözünürlüğe ve çoğullanmış uyarıma yaklaştırırken, yalnızca manyetik kontrol ile mümkün olan minimal invazivliği ve derin doku uyarımını korur.