טכנולוגיית סיבים אופטיים חוללה מהפכה בתעשיית הטלקומוניקציה ועשויה לעשות את אותו הדבר בקרוב עבור חקר המוח.
קבוצת חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס מבית הספר להנדסה מק'קלווי וגם מ-WashU Medicine יצרה סוג חדש של מכשיר סיבים אופטיים לתמרן פעילות עצבית בעומק המוח. המכשיר, הנקרא סיב PRIME (Panoramically Reconfigurable IlluMinativE), מספק גירוי אופטי רב-אתרים שניתן להגדרה מחדש באמצעות שתל יחיד ודק שיער.
"על ידי שילוב של טכניקות מבוססות סיבים עם אופטוגנטיקה, נוכל להשיג גירוי מוחי עמוק בקנה מידה חסר תקדים", אמר סונג הו, פרופסור להנדסה ביו-רפואית ב-MKelvey Engineering, ששיתף פעולה עם המעבדה של אדם קפקס, פרופסור למדעי המוח ולפסיכיאטריה ב-WashU Medicine.
סיבים אופטיים מחזקים את תחום האופטוגנטיקה על ידי שימוש בתעלות יונים רגישות לאור כדי לשלוט על נוירונים במוח העמוק, להפעיל או לכבות את התאים. אבל לסיבים קונבנציונליים יש גבולות: סיב בודד יכול לספק אור ליעד אחד בלבד.
כדי להבין מעגלי מוח מורכבים, החוקרים צריכים להעביר אור למאות, אם לא אלפי, נקודות שונות במוח, וזה פולשני מדי להוסיף אלף סיבים אופטיים כדי להתמודד עם המשימה הזו.
אבל מה אם הסיב היחיד הזה יכול לכוון אור לאלף כיוונים שונים, כמו כדור דיסקו שניתן לשליטה במוח?
זה בדיוק מה שהקבוצה התכוונה להשיג. הצוות של הו, כולל החוקר הפוסט-דוקטורט והמחבר הראשון Shuo Yang, שהוביל את פיתוח טכנולוגיית PRIME, השתמש במיקרו-ייצור תלת-ממדי מהיר במיוחד בלייזר כדי לרשום אלפי פולטי אור צורם (הפועלים כמראות) לתוך סיב ברוחב של שערה אנושית. בינתיים, הצוות של קפקס, כולל הסטודנטית לתואר שני והסופרת הראשונה Keran Yang והמדען הבכיר הפוסט-דוקטורט קוונטין שברו, אימת את הטכנולוגיה על ידי לימוד טכניקת האפנון העצבי שלה במודלים של בעלי חיים שמתנהגים בחופשיות.
תוצאות אלו, שפורסמו ב מדעי המוח בטבע, מייצגים הן חידוש נוירוטכנולוגיה והן פריצת דרך בייצור.
"אנחנו מגלפים פולטי אור קטנים מאוד לחתיכות קטנות מאוד", אמר שואו יאנג. "קטנה מאוד כלומר מראות זעירות שגודלן 1/100 מגודל שערה אנושית."
סיב PRIME מחבר בין אור לנוירונים באזורי מוח שונים. במחקרי הוכחת מושג במודלים של בעלי חיים, Keran Yang השתמשה ב-PRIME כדי להניע פעילות בתת-אזורים של הקוליקולוס העליון, מרכז לטרנספורמציה סנסומוטורית, והתנהגות שיטתית של הקפאה או בריחה, בהתאם לתבנית האור הניתנת להגדרה מחדש.
"כלי מהסוג הזה מאפשר לנו לשאול שאלות שהיו בלתי אפשריות בעבר", אמרה קרן יאנג. "על ידי עיצוב מדויק של אור הן במרחב והן בזמן, אנו יכולים להתחיל לראות כיצד מעגלים שכנים מקיימים אינטראקציה וכיצד דפוסי פעילות ברחבי המוח גורמים להתנהגות."
מכשיר זה מרחיב באופן משמעותי את האפשרי בקישור ניסיוני של פעילות עצבית מבוזרת לתפיסה ופעולה. זה מביא לרמה חדשה של גישה לבדיקת תפקוד המעגל העצבי".
אדם קפקס, פרופסור למדעי המוח ולפסיכיאטריה ב-WashU Medicine
במבט קדימה, הקבוצה שואפת להרחיב את PRIME לממשק דו-כיווני על ידי שילוב של אופטוגנטיקה עם פוטומטריה כדי לאפשר לחוקרים לעורר ולתעד פעילות מוחית בו-זמנית.
"זו רק ההתחלה של מסע מרגש", אמר הו. "המטרה הסופית שלנו היא להפוך את PRIME לאלחוטי ולביש. ככל שהכלי יהיה פחות מסורבל, כך הנתונים שהם יכולים לקבל יותר טבעיים מנושאים שמתנהגים בחופשיות שאינם תקועים בחוטים".
