이 작은 임플란트는 뇌에 비밀 메시지를 보냅니다

이 장치는 부드럽고 유연하여 두개골에 얹혀 있으면서 두피 아래에 꼭 맞습니다. 이 위치에서 조심스럽게 제어된 빛 패턴을 뼈를 통해 보내 피질 전체의 특정 뉴런 그룹을 활성화합니다.

동물 모델의 빛 기반 뇌 신호

테스트하는 동안 연구자들은 쥐 모델의 뇌 깊숙한 곳에 있는 표적화된 뉴런 집단을 자극하기 위해 작고 정확한 시간에 맞춰진 빛의 폭발을 사용했습니다. (이 뉴런은 빛에 반응하도록 유전적으로 변형되었습니다.) 쥐는 특정 패턴을 의미 있는 신호로 해석하는 방법을 빠르게 배웠습니다. 소리, 시각, 촉각이 없더라도 동물들은 들어오는 정보를 사용하여 결정을 내리고 행동 작업을 정확하게 완료했습니다.

이 기술은 언젠가는 광범위한 의료 응용 분야를 지원할 수 있을 것입니다. 잠재적인 용도로는 보철 팔다리에 대한 감각 피드백 제공, 미래 청각 또는 시력 보철물을 위한 인공 입력 제공, 로봇 팔다리 제어, 부상 또는 뇌졸중 후 재활 개선, 약물 없이 통증 인식 수정 등이 있습니다.

작품은 월요일(12월 8일)에 공개됩니다. 자연 신경과학.

마이크로 LED 기술로 새로운 뇌 신호 생성

이번 연구의 실험 부분을 주도한 노스웨스턴 신경생물학자 예브게니아 코조로비츠키(Yevgenia Kozorovitskiy)는 “우리의 두뇌는 끊임없이 전기적 활동을 경험으로 바꾸고 있으며, 이 기술은 우리에게 그 과정을 직접 활용할 수 있는 방법을 제공합니다”라고 말했습니다. “이 플랫폼을 통해 우리는 완전히 새로운 신호를 생성하고 뇌가 이를 어떻게 사용하는지 확인할 수 있습니다. 이는 부상이나 질병 후 잃어버린 감각을 회복하는 데 조금 더 가까이 다가가는 동시에 우리가 세상을 인식할 수 있는 기본 원리에 대한 창을 제공합니다.”

생체전자공학 분야의 선도적 인물이자 기술 개발 책임자인 John A. Rogers는 “이 장치를 개발하려면 최소 침습적이며 완전히 이식 가능한 형식으로 패턴화된 자극을 뇌에 전달하는 방법을 다시 생각해야 합니다. 각각 사람 머리카락 한 가닥만큼 작은 부드럽고 순응적인 마이크로 LED 어레이를 무선 전력 제어 모듈과 통합함으로써 우리는 측정할 수 없는 상태로 완전히 피부 아래에 있는 동안 실시간으로 프로그래밍할 수 있는 시스템을 만들었습니다.” 이는 부담스러운 전선이나 부피가 큰 외부 하드웨어 없이도 뇌와 인터페이스할 수 있는 장치를 만드는 데 있어서 중요한 진전을 의미합니다. 이는 기본적인 신경과학 연구를 위한 즉각적인 측면과 인간의 건강 문제를 해결하는 데 있어 장기적으로 모두 가치가 있습니다.”

Kozorovitskiy는 노스웨스턴 와인버그 예술과학 대학의 신경생물학 교수이자 생명 과정 화학 연구소의 회원입니다. Rogers는 재료 과학 및 공학, 생물 의학 공학 및 신경 외과 분야의 직책을 맡고 있으며 Querrey Simpson 생체 전자 공학 연구소를 이끌고 있습니다. 이 연구의 첫 번째 저자는 박사후 연구원 Mingzheng Wu입니다.

초기 광유전학 혁신 발전

이 연구는 같은 팀의 이전 작업을 기반으로 합니다. 2021년에 그들은 빛으로 뉴런을 제어할 수 있는 최초의 완전히 이식 가능하고 프로그래밍 가능하며 배터리가 필요 없는 무선 장치를 보고했습니다. 이 시스템은 단일 마이크로 LED 프로브를 사용하여 쥐의 사회적 행동에 영향을 미쳤습니다. 움직임을 제한하는 광섬유 와이어에 의존하는 전통적인 광유전학과는 달리, 무선 설계는 쥐가 사회적 환경에서 정상적으로 행동할 수 있도록 했습니다.

새로운 장치는 뇌와의 보다 복잡한 통신을 가능하게 하여 이 기능을 확장합니다. 하나의 작은 영역을 자극하는 대신 업데이트된 시스템은 최대 64개의 프로그래밍 가능한 마이크로 LED 배열을 사용합니다. 각 조명은 실시간으로 독립적으로 제어될 수 있으므로 연구자들은 감각 경험 중에 뇌가 자연적으로 생성하는 분산 활동 패턴과 유사한 시퀀스를 전달할 수 있습니다. 실제 감각은 고립된 뉴런이 아닌 광범위한 네트워크를 활성화하기 때문에 이 다중 부위 접근 방식은 피질이 정상적으로 기능하는 방식을 반영합니다.

“첫 번째 논문에서 우리는 단일 마이크로 LED를 사용했습니다”라고 Wu는 말했습니다. “이제 우리는 64개의 마이크로 LED 배열을 사용하여 피질 활동의 패턴을 제어하고 있습니다. 주파수, 강도 및 시간 순서 등 다양한 LED 조합으로 생성할 수 있는 패턴의 수는 거의 무한합니다.”

부드럽고 덜 침해적인 디자인

추가된 기능에도 불구하고 장치는 여전히 작습니다. 우표 크기 정도이고 신용카드보다 얇습니다. 새로운 버전은 프로브를 뇌에 삽입하는 대신 두개골 표면에 부드럽게 맞춰 뼈를 통해 빛을 비춥니다.

“빨간색 빛은 조직에 아주 잘 침투합니다”라고 Kozorovitskiy는 말했습니다. “두개골을 통해 뉴런을 활성화할 수 있을 만큼 깊이 도달합니다.”

합성 패턴을 인식하기 위한 두뇌 훈련

시스템을 평가하기 위해 팀은 피질에 빛에 반응하는 뉴런을 갖도록 조작된 쥐를 사용하여 작업했습니다. 동물은 특정 자극 패턴을 보상과 연관시키도록 훈련받았으며, 일반적으로 테스트 챔버 내의 특정 포트에 위치합니다.

일련의 실험 동안 임플란트는 4개의 피질 영역에 정의된 패턴을 전달했으며, 이는 암호화된 메시지를 뇌에 직접 두드리는 것과 같은 기능을 했습니다. 쥐는 많은 대안 중에서 이 목표 패턴을 식별하는 방법을 배웠습니다. 올바른 인공 신호를 감지하면 보상을 받기 위해 적절한 포트로 이동했습니다.

Wu는 “일관되게 올바른 포트를 선택함으로써 동물이 메시지를 받았다는 것을 보여주었습니다”라고 말했습니다. “그들은 자신이 느끼는 것을 우리에게 말하기 위해 언어를 사용할 수 없기 때문에 행동을 통해 의사소통합니다.”

미래 개발 및 더 넓은 응용 분야

이제 팀은 패턴화된 빛 자극을 뇌가 의미 있는 정보로 해석할 수 있음을 입증했으므로 보다 정교한 패턴을 테스트하고 뇌가 안정적으로 학습할 수 있는 뚜렷한 신호의 수를 결정할 계획입니다. 장치의 향후 버전에는 더 많은 LED, 더 작은 간격, 더 많은 피질을 덮는 더 큰 어레이, 조직 깊숙이 침투하는 빛의 파장이 포함될 수 있습니다.

“패턴화된 무선 경두개 광유전학이 인공 지각을 생성한다”라는 연구는 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 및 Christina Enroth-Cugell 및 David Cugell Fellowship의 지원을 받았습니다.