Vědci ovládali mozkový implantát přes půl světa: Příkaz z Chicaga dorazil k potkanovi v Koreji za 109 milisekund

Představte si, že vědec sedí v laboratoři v Chicagu, zatímco jeho pokus probíhá více než 10 000 kilometrů daleko v Jižní Koreji. Přesto může přímo ovládat zařízení implantované do mozku pokusného zvířete. Právě tuto možnost nyní výzkumníci experimentálně ověřili.

Příkaz putoval z Chicaga přes internet až k počítači v laboratoři v jihokorejském Tedžonu. Odtud se bezdrátově přenesl do mozkového implantátu vzdáleného 10 596 kilometrů. Zařízení na něj zareagovalo v průměru za pouhých 109 milisekund.

Šlo sice „jen“ o technologickou demonstraci, experiment ale ukázal, že implantát lze ovládat i z jiné země. Právě vzdálené ovládání by přitom mohlo být užitečné při výzkumu mozku. Když vědec vstoupí do experimentálního prostoru nebo se přiblíží ke zvířeti, může tím ovlivnit jeho chování. Pokud ale lze zařízení ovládat na dálku, podobnému rušení se dá vyhnout a na stejném experimentu mohou spolupracovat výzkumníci z různých koutů světa.

Malý implantát, velké možnosti

Systém nazvaný RAPIDO vyvinuli vědci z jihokorejské státní výzkumné univerzity KAIST a univerzity Jonse v Soulu. Implantát je natolik malý, že jej může mít potkan v mozku, a přitom se volně pohybovat. Uvnitř mozku pak dokáže plnit dvě různé funkce.

První možností je podávání látky prostřednictvím miniaturního kanálku, druhou pak vysílání světla pomocí drobné LED diody. Obě funkce lze ovládat samostatně a lze je předem naprogramovat. RAPIDO má navíc znovu plnitelnou kazetu a může přes internet dostávat pokyny k podávání naprogramovaných dávek a světelné stimulaci.

Podle Jae-Woonga Jeonga z KAIST, který výzkum vedl, takový systém umožňuje provádět opakované a dlouhodobé farmakologické a optické zásahy u volně se pohybujících zvířat, aniž by s nimi vědci museli manipulovat nebo implantát měnit další operací.

Kokain přímo do mozku

Po ověření dálkového ovládání výzkumníci zařízení podrobili dvěma samostatným zkouškám. V prvním experimentu testovali schopnost implantátu podávat látky. 

Do oblasti mozku potkanů zvané nucleus accumbens, která hraje důležitou roli v mechanismech odměny, potěšení, smíchu, závislosti, agrese a také strachu, aplikovali různé dávky kokainu. Rozdílné dávky vyvolaly odpovídající změny v pohybu zvířat. Stejné účinky se přitom podařilo zopakovat dva, tři i čtyři týdny po implantaci.

Experiment tak ukázal, že RAPIDO dokáže po dobu několika týdnů opakovaně podávat přesně kontrolované dávky a vyvolávat měřitelné změny v chování.

Když světlo změní chování

Druhá zkouška se zaměřila na to, zda může světelná stimulace změnit preference potkanů. Výzkumníci využili optogenetiku, při níž vybrané buňky nebo procesy v nich reagují na světlo.

Tentokrát potkani dostávali kokain injekčně do břicha, nikoli prostřednictvím implantátu. Vědci tak mohli oddělit účinek kokainu od působení světla. Potkani, kteří dostali kokain bez světelné stimulace, později dávali přednost prostoru spojenému s drogou. U jiné skupiny však světlo z implantátu během podmiňování aktivovalo signální dráhu RhoA. Tito potkani si stejnou preferenci pro prostor spojený s kokainem nevytvořili.

Výzkumníci tak podle Jeonga získali důkaz, že platforma může sloužit ke zkoumání příčinných vztahů mezi konkrétními zásahy do nervové činnosti a následným chováním.

Na léčbu je ještě brzy

Výsledky ale rozhodně neznamenají, že zařízení léčí závislost na kokainu. Šlo o ověření principu u potkanů a potlačení naučené preference, což není totéž jako léčba již existující závislosti.

Před případným využitím u lidí navíc zůstává řada překážek. Za největší výzvu Jeong označuje prokázání dlouhodobé bezpečnosti a spolehlivosti implantátu v lidském mozku. Budoucí klinické zařízení by vyžadovalo další testování biokompatibility, konstrukce, podávání léčiv i bezpečnostních mechanismů. U optogenetiky by bylo navíc nutné bezpečně dopravit do organismu geny citlivé na světlo. RAPIDO je proto zatím především výzkumným nástrojem, který může pomoci při vývoji a hodnocení budoucích léčebných postupů.

Tři klíčové výsledky

Bezdrátové mozkové implantáty schopné podávat látky nebo využívat světlo nejsou úplnou novinkou. Předchozí práce stejného týmu například přinesla implantáty ovládané chytrým telefonem, vybavené vyměnitelnými kazetami s léčivy pro volně se pohybující myši.

RAPIDO však v jediném systému kombinuje několik funkcí. Dokáže opakovaně podávat látky, cíleně stimulovat mozek světlem, pracovat podle předem nastaveného programu a přijímat pokyny přes internet.

Experimenty přinesly tři hlavní výsledky: implantát v Jižní Koreji reagoval na příkazy odeslané ze Spojených států, dokázal opakovaně podávat kokain až po dobu čtyř týdnů a v samostatném experimentu světelná stimulace zabránila potkanům vytvořit si preferenci pro prostor spojený s drogou.