Echipa KAIST a creat un cip neural pentru monitorizarea reacției la medicamentele împotriva Alzheimer
Ce se întâmplă în creier după administrarea unui medicament pentru Alzheimer? O echipă de cercetare de la KAIST a utilizat un cip neural mic, implantabil, pentru a monitoriza în timp real modificările neurotransmițătorilor implicați în memorie și învățare.
Cercetătorii au observat, în cazul porcilor miniaturali, o creștere a semnalului neurotransmițătorului după administrarea medicamentului, urmată de o revenire treptată la nivelul de bază. Această tehnologie ar putea ajuta la evaluarea modului în care acționează medicamentele în creier și la dezvoltarea unor metode de stimulare adaptate răspunsului cerebral.
KAIST (președinte Choongsik Bae) a anunțat pe 27 octombrie că echipa de cercetare condusă de profesorul Kyung-In Jang de la Departamentul de Inginerie Mecanică, în colaborare cu cercetători de la Institutul de Știință și Tehnologie Daegu Gyeongbuk (DGIST), Institutul Coreean de Cercetare a Creierului (KBRI) și Institutul Coreean de Cercetare în Biotehnologie și Biologie (KRIBB), a dezvoltat un cip neural implantabil care integrează un senzor pentru detectarea neurotransmițătorului acetilcolină, un component de stimulare prin lumină și tehnologie de măsurare wireless miniaturizată.
Acetilcolina transmite semnale între celulele nervoase și joacă un rol important în memorie și învățare. Donepezil, un medicament utilizat pentru tratamentul bolii Alzheimer, inhibă acetilcolinesteraza, enzima care descompune acetilcolina, permițând neurotransmițătorului să rămână activ pentru o perioadă mai lungă. Monitorizarea modificărilor acetilcolinei în anumite regiuni ale creierului după administrarea medicamentului poate ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine modul în care acționează acesta.
Echipa a implantat cipul neural în cortexul prefrontal al porcilor miniaturali, a administrat donepezil și a măsurat wireless semnalele de acetilcolină. Cortexul prefrontal este implicat în funcții cognitive precum judecata, atenția și memoria. După administrarea medicamentului, semnalul de acetilcolină a crescut, apoi a revenit treptat la nivelul de bază. Aceste rezultate demonstrează că reacțiile chimice dintr-o regiune specifică a creierului pot fi monitorizate continuu folosind un dispozitiv extern.
La baza tehnologiei de detecție se află un strat care convertește modificările nivelurilor neurotransmițătorilor în semnale electrice. Cercetătorii au combinat chitosan poros cu nanofibre ultrafine de argint-platină (Ag@Pt). Structura poroasă oferă o suprafață mare pentru atașarea enzimelor utilizate pentru a detecta acetilcolina. Nanofibrele convertesc peroxidul de hidrogen generat de reacția enzimatică în semnale electrice.
Echipa a proiectat, de asemenea, cipul pentru a minimiza interferențele din partea altor molecule. Au plasat un electrod acoperit cu enzime pe o parte a sondei subțiri introduse în creier și un electrod fără enzime pe cealaltă parte. Comparând cele două semnale, sistemul reduce interferențele detectate de ambele electrozi și izolează modificările asociate cu acetilcolina. Măsurătorile sunt procesate de un circuit miniaturizat și transmise la un dispozitiv extern prin Bluetooth.
Pe lângă detectarea modificărilor din creier, cipul neural poate stimula celulele nervoase cu ajutorul luminii. Într-un experiment separat cu șoareci transgenici, echipa a confirmat că semnalele de acetilcolină au crescut ca răspuns la stimularea luminoasă livrată de un micro-diodă emițătoare de lumină (μLED) integrată în cip.
Experimentele pe animale au beneficiat de expertiza instituțiilor partenere. KRIBB a furnizat porcii miniaturali și suport pentru procedurile chirurgicale, în timp ce KBRI a susținut intervențiile chirurgicale pe șoareci și experimentele.
Tehnologia ar putea ajuta cercetătorii să investigheze modul în care acționează medicamentele pentru bolile cerebrale. În special, ar putea permite compararea răspunsurilor neurotransmițătorilor în funcție de diverse doze de medicamente și intervale de administrare.
Studiul pregătește terenul pentru cercetarea interfețelor neuronale cu circuit închis, care ajustează stimularea pe baza măsurărilor continue ale răspunsului creierului. În astfel de sisteme, un senzor detectează modificările după stimulare, iar intensitatea sau momentul stimulării ulterioare este ajustat în consecință. Prin integrarea detecției și stimulării prin lumină într-un singur cip, studiul oferă o bază pentru dezvoltarea acestor sisteme.
Cu toate acestea, studiul a măsurat modificările neurotransmițătorilor în creierul animalelor și nu a demonstrat efecte terapeutice asupra bolii Alzheimer sau îmbunătățiri ale memoriei. Este necesară o validare suplimentară înainte ca tehnologia să poată fi utilizată la oameni, inclusiv evaluări ale siguranței sale pe termen lung și stabilitatea performanței măsurătorilor după implantare.
