Em um grande avanço para a neurobiologia e bioeletrônica, cientistas da Universidade Northwestern criaram um dispositivo sem fio que utiliza luz para transmitir informações diretamente ao cérebro. A tecnologia ignora as rotas sensoriais tradicionais do corpo e entrega sinais diretamente aos neurônios.
O dispositivo é macio e flexível, adaptando-se debaixo do couro cabeludo enquanto repousa sobre o crânio. A partir dessa posição, ele envia padrões de luz cuidadosamente controlados através do osso para ativar grupos específicos de neurônios ao longo do córtex.
Sinais Cerebrais Baseados em Luz em Modelos Animais
Durante os testes, os pesquisadores utilizaram pequenos e precisamente temporizados pulsos de luz para estimular populações-alvo de neurônios localizados nas profundezas dos cérebros de modelos de camundongos. (Esses neurônios são geneticamente modificados para responder à luz.) Os camundongos rapidamente aprenderam a interpretar certos padrões como indicações significativas. Mesmo sem som, visão ou toque, os animais usaram as informações recebidas para tomar decisões e completar tarefas comportamentais com precisão.
Essa tecnologia pode, um dia, dar suporte a uma ampla gama de aplicações médicas. Usos em potencial incluem fornecer feedback sensorial para próteses, entregar entradas artificiais para próteses auditivas ou visuais futuras, controlar membros robóticos, melhorar a reabilitação após lesões ou derrames, e modificar a percepção da dor sem medicamentação.
O trabalho será publicado na segunda-feira (8 de dezembro) na Nature Neuroscience.
Criando Novos Sinais Cerebrais Com Tecnologia Micro-LED
“Nossos cérebros estão constantemente convertendo atividade elétrica em experiências, e essa tecnologia nos dá uma maneira de acessar esse processo diretamente”, disse a neurobiologista da Northwestern, Yevgenia Kozorovitskiy, que liderou a parte experimental do estudo. “Esta plataforma nos permite criar sinais inteiramente novos e ver como o cérebro aprende a usá-los. Isso nos traz um pouco mais perto de restaurar sentidos perdidos após lesões ou doenças, enquanto oferece uma janela para os princípios básicos que nos permitem perceber o mundo.”
John A. Rogers, uma figura de destaque em bioeletrônica e líder no desenvolvimento da tecnologia, afirmou: “Desenvolver este dispositivo exigiu repensar como entregar estimulação padronizada ao cérebro em um formato que seja minimamente invasivo e totalmente implantável. Ao integrar uma matriz macia e conformável de micro-LEDs — cada um do tamanho de uma única fibra 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 no comportamento natural dos animais. Isso 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 a curto prazo para a pesquisa básica em neurociência quanto a longo prazo para enfrentar desafios de saúde em humanos.”
Kozorovitskiy é Professora Irving M. Klotz de Neurobiologia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Chemistry of Life Processes Institute. Rogers possui cargos em ciência e engenharia de materiais, engenharia biomédica e cirurgia neurológica, e dirige o Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. O primeiro autor do estudo é o pesquisador pós-doutoral Mingzheng Wu.
Avançando as Quebras de Óptica Anteriores
A pesquisa se baseia 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 utilizou uma única sonda micro-LED para influenciar o comportamento social em camundongos. Diferentemente da optogenética tradicional, que dependia de fios de fibra óptica que restringiam o movimento, o design sem fio permitiu que os camundongos se comportassem normalmente em ambientes sociais.
O novo dispositivo amplia essa capacidade ao permitir uma comunicação mais complexa com o cérebro. Em vez de estimular uma pequena região isolada, o sistema atualizado utiliza uma matriz de até 64 micro-LEDs programáveis. Cada luz pode ser controlada independentemente em tempo real, permitindo que os pesquisadores entreguem sequências que se assemelham aos padrões de atividade distribuída que o cérebro naturalmente produz durante experiências sensoriais. Como as sensações reais ativam redes amplas em vez de neurônios isolados, essa abordagem multi-local é semelhante ao funcionamento normal do córtex.
“No primeiro artigo, usamos um único micro-LED”, disse Wu. “Agora estamos usando uma matriz 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 Macio e Menos Invasivo
Apesar da capacidade adicional, o dispositivo permanece pequeno. Tem aproximadamente o tamanho de um selo postal e é mais fino que um cartão de crédito. Em vez de inserir uma sonda no cérebro, a nova versão se conforma suavemente à superfície do crânio e brilha luz através do osso.
“A luz vermelha penetra bem nos tecidos”, disse Kozorovitskiy. “Ela atinge profundidades suficientes para ativar neurônios através do crânio.”
Treinando o Cérebro para Reconhecer Padrões Sintéticos
Para avaliar o sistema, a equipe trabalhou com camundongos engenheirados para ter neurônios responsivos à luz no córtex. Os animais foram treinados para associar um padrão específico de estimulação a uma recompensa, geralmente localizada em um porto específico dentro de uma câmara de testes.
Durante uma série de experimentos, o implante entregou um padrão definido em quatro regiões corticais, que funcionou como se estivesse transmitindo uma mensagem codificada diretamente ao cérebro. Os camundongos aprenderam a identificar esse padrão-alvo entre muitas alternativas. Quando detectavam o sinal artificial correto, navegavam até o porto apropriado para receber a recompensa.
“Ao selecionarem consistentemente o porto correto, o animal demonstrou que recebeu a mensagem”, disse Wu. “Eles não podem usar linguagem para nos contar o que sentem, então se comunicam por meio do 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 de forma confiável. Versões futuras do dispositivo podem incorporar mais LEDs, espaçamento menor entre eles, matrizes maiores cobrindo mais córtex e comprimentos de onda de luz que penetram mais profundamente nos tecidos.
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.