Optogenetik, beyindeki belirli nöron gruplarını açmak veya kapatmak için ışığı kullanan biyolojik bir tekniktir. Örneğin, araştırmacılar felç durumunda hareketi eski haline getirmek veya gelecekte beynin veya omurganın ağrıya neden olan alanlarını kapatmak, opioidlere ve diğer ağrı kesicilere olan ihtiyacı ve artan bağımlılığı ortadan kaldırmak için optogenetik stimülasyonu kullanabilir.
Gutruf: “Bu araçları beynin farklı kısımlarının nasıl çalıştığını anlamak için yapıyoruz. Optogenetiğin avantajı, hücre özgüllüğünüzün olmasıdır. Belirli nöron gruplarını hedefleyebilir ve fonksiyonlarını ve tüm beyin bağlamındaki ilişkilerini inceleyebilirsiniz.”
Optogenetikte, araştırmacılar; ışığı bir nöronun fonksiyonunu oluşturan elektrik potansiyellerine dönüştüren, opsin adı verilen proteinlere sahip spesifik nöronlar yükler. Bir araştırmacı beynin bir bölgesine ışık tuttuğu zaman, sadece opsin yüklü nöronları aktive eder.
Optogenetiğin ilk çalışmaları, beyne optik fiberler aracılığıyla ışık gönderilmesini içeriyordu. Bu, test deneklerinin fiziksel olarak bir kontrol istasyonuna bağlı olduğu anlamına geliyordu. Araştırmacılar, kablosuz elektroniği kullanarak pilsiz bir teknik geliştirmeye devam ettiler; bu, deneklerin serbestçe hareket edebilmesi anlamına geliyordu. Ancak bu cihazlar kendi sınırlamaları ile geldi. Hacimli ve sıklıkla kafatasının dışına görünür bir şekilde tutturulmuşlardı. Işığın frekansının veya yoğunluğunun hassas bir şekilde kontrol edilmesine izin vermediler ve bir seferde beynin sadece bir bölgesini uyarabildiler.
Daha Fazla Kontrol ve Daha Az Alan
Gutruf: “Bu araştırma ile iki ila üç adım daha ileri gittik. Yayılan ışığın yoğunluğu ve frekansı üzerinde dijital kontrol uygulayabildik ve cihazlar çok minyatürleştirildi. Böylece kafa derisi altına yerleştirilebilirler. Aynı deneğin beyninde birden fazla yeri bağımsız olarak uyarabiliriz.; bu daha önce mümkün değildi. “
Işığın yoğunluğunu kontrol etme kabiliyeti kritiktir. Çünkü araştırmacıların ışığın beynin hangi alanını seçeceğini, ışığın ne kadar parlak olacağını ve ne kadar uzağa ulaşacağını kontrol etmesini sağlar. Ek olarak, ışığın yoğunluğunun kontrol edilmesi, ışık kaynakları tarafından üretilen ısının kontrol edilmesi ve ısı ile harekete geçen nöronların yanlışlıkla aktifleştirilmesinin önlenmesi anlamına gelir.
Kablosuz, pilsiz implantlar harici salınımlı manyetik alanlardan beslenir ve gelişmiş özelliklerine rağmen, önceki sürümlerden önemli ölçüde daha büyük veya daha ağır değildir. Ek olarak, yeni bir anten tasarımı, optogenetik cihazların geçmiş versiyonlarının karşılaştığı bir problemi ortadan kaldırmıştır. Buradaki cihaza gönderilen sinyalin gücü, beynin açısına bağlı olarak değişmiştir. Çalışmada denek; kafasını çevirdiğinde sinyal zayıflardı.
Gutruf. “Bu sistem, tek bir muhafaza içinde iki antene sahiptir; sinyali çok hızlı bir şekilde ileri geri çeviririz, böylece implantı herhangi bir yönde güçlendirebiliriz. Gelecekte, bu teknik; cihazın çıkarılması veya değiştirilmesi gerekmeksizin kesintisiz stimülasyon sağlayan pilsiz implantlar sağlayabilir ve mevcut kalp pili veya stimülasyon tekniklerinden daha az invaziv prosedürlerle sonuçlanabilir.”
Cihazlar, insanlara nörotimülatörler veya “beyin pili” takılmış ameliyatlara benzer basit bir cerrahi prosedürle implante edilir. Denekler üzerinde olumsuz bir etki yaratmazlar ve işlevleri vücutta zamanla bozulmaz. Bunun, her beş ila 15 yılda bir değiştirilmesi gereken kalp pilleri gibi tıbbi cihazlar için etkileri olabilir.
Araştırma ayrıca, bu cihazlarla implante edilen hayvanların, bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ile güvenli bir şekilde görüntülenebildiğini ve kemik, doku durumu ve bunların yerleşimi gibi klinik olarak ilgili parametrelere ilişkin ileri görüşlere izin verebileceğini gösterdi.