Σε πρόσφατη δημοσίευση τους στο περιοδικό Cell, επιστήμονες από το National Institute of Neurological Disorders and Stroke του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας (National Institute of Health, NIH) των ΗΠΑ, ανακοίνωσαν ότι κατόρθωσαν να προσδιορίσουν την πορεία στο χώρο –ενός ποντικού- απλά και μόνο με το πάτημα ενός κουμπιού. Πώς το κατάφεραν αυτό; Δημιουργώντας ένα εμφύτευμα τελευταίας τεχνολογίας –το οποίο μπορούν να ελέγχουν από μακριά– και το οποίο τοποθέτησαν βαθιά μέσα στον εγκέφαλο του ποντικού. Το εμφύτευμα αυτό δίνει τη δυνατότητα να χορηγούνται στα πειραματόζωα φάρμακα αλλά να πραγματοποιείται διέγερση των νευρώνων με φωτεινά ερεθίσματα χωρίς να πραγματοποιείται χειρουργική επέμβαση.
«Ξεκλειδώνει (σ.σ. το εμφύτευμα) έναν ολόκληρο κόσμο δυνατοτήτων για τους επιστήμονες οι οποίοι θέλουν να εξερευνήσουν το πώς λειτουργούν τα κυκλώματα του εγκεφάλου στο φυσικό τους περιβάλλον» δηλώνει ο Michael R. Bruchas, PhD, Αναπληρωτής Καθηγητής Αναισθησιολογίας και Νευροβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Washington και επικεφαλής συγγραφέας του άρθρου.
Η ομάδα του Bruchas μελετά κυκλώματα του εγκεφάλου που εμπλέκονται σε μια πλειάδα διαταραχών όπως οι διαταραχές που οφείλονται σε στρες, η κατάθλιψη, ο εθισμός αλλά και ο πόνος. Μέχρι σήμερα οι επιστήμονες που ασχολούνται με αυτό το πεδίο έχουν στη διάθεσή τους συγκεκριμένα και –κατά κάποιον τρόπο περιορισμένα- εργαλεία και τρόπους προσέγγισης προκειμένου να διεγείρουν και να μελετήσουν τις εκάστοτε περιοχές του εγκεφάλου. Οι τρόποι αυτοί είναι είτε η χορήγηση φαρμάκων απευθείας στον εγκέφαλο –μέσω μεταλλικών σωλήνων- είτε η διαβίβαση ηλεκτρικών ή φωτεινών ερεθισμάτων απευθείας στον εγκέφαλο μέσω οπτικών ινών. Και οι 2 αυτές μεθοδολογίες απαιτούν χειρουργική επέμβαση στο πειραματόζωο, γεγονός που μπορεί –αναπόφευκτα- να προκαλέσει καταστροφές σε διάφορα μέρη του εγκεφάλου και επιπλέον διαταράσσει το «φυσικό περιβάλλον» του εγκεφάλου και ενδεχομένως να επηρεάζει τις μετέπειτα αντιδράσεις του πειραματοζώου.
Προκειμένου να αντιμετωπιστούν αυτά τα προβλήματα, ο Jae-Woong Jeong, PhD, με ειδικότητα στη Βιο-Μηχανική (BioEngineering) ο οποίος παλιότερα ήταν στο Πανεπιστήμιο του Illinois, συνεργάστηκε με τον Jordan G. Mc Call, PhD, από το εργαστήριο του Bruchas, προκειμένου να κατασκευάσουν ένα τηλεχειριζόμενο οπτο-υδροροϊκό (optofluidic) εμφύτευμα. Πρόκειται για ένα είδος πολύ λεπτής ίνας που κατασκευάστηκε από μαλακά υλικά με διάμετρο 1/10 της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας και μπορεί να διαβιβάζει στον εγκέφαλο ταυτόχρονα φάρμακα και φωτεινά ερεθίσματα (γι’ αυτό και καλείται ‘opto-fluidic’).
«Χρησιμοποιήσαμε στρατηγικές ‘νανο-κατασκευαστικής’ προκειμένου να φτιάξουμε ένα εμφύτευμα που να διεισδύει βαθιά στον εγκέφαλο προκαλώντας την ελάχιστη δυνατή βλάβη κατά την είσοδό του» δηλώνει ο John A. Rogers, PhD , Καθηγητής Επιστήμης Υλικών και Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Illinois-Urbana Champaign και ένας από τους επικεφαλής της μελέτης. Συμπληρώνει ότι «Τέτοιου είδους υπερ-μικροσκοπικές συσκευές έχουν τεράστιο δυναμικό για τις Βιοεπιστήμες και την Ιατρική.
Το εμφύτευμα έχει πάχος 80 μm και πλάτος 500 μm και είναι σαφώς λεπτότερο από τους μεταλλικούς σωλήνες που χρησιμοποιούν μέχρι σήμερα οι επιστήμονες για τη χορήγηση φαρμάκων απευθείας στον εγκέφαλο. Δημιουργήθηκε με τεχνικές κατασκευής ημιαγωγών και μικρο-τσιπ, ενώ έχει δυνατότητα διαβίβασης τεσσάρων φαρμάκων και φέρει 4 διόδους διαβίβασης φωτός. Σε σύγκριση με τους σωλήνες αυτούς το εμφύτευμα προκαλεί σαφώς πολύ λιγότερη ζημιά στο σημείο του εγκεφάλου όπου τοποθετείται. Στη συνέχεια οι επιστήμονες έλεγξαν τη δυνατότητα του εμφυτεύματος να διαβιβάζει φαρμακευτικές ουσίες στον εγκέφαλο τοποθετώντας το σε εγκεφάλους ποντικών. Σε κάποια από τα πειράματά τους κατέστη δυνατόν να χαρτογραφήσουν με ακρίβεια νευρωνικά κυκλώματα ενύοντας στον εγκέφαλο –μέσω του εμφυτεύματος- μη μολυσματικούς, σημασμένους ιούς οι οποίοι εισέρχονταν στα κύτταρα του εγκεφάλου και τα σήμαιναν με διάφορες ‘γενετικές’ χρωστικές . Σε άλλα πειράματα κατάφεραν να κάνουν τα ποντίκια να κινούνται σε κύκλους, μετά από χορήγηση φαρμάκων που μιμούνται τη δράση της μορφίνης, στην κοιλιακή καλυπτρική περιοχή (VTA) του εγκεφάλου που ευθύνεται για το κίνητρο και τον εθισμό.
«Δοκιμάσαμε τουλάχιστον 30 διαφορετικά μοντέλα του εμφυτεύματος έως ότου δουλέψει σωστά» λέει το Dr. Mc Call. «Πρόκειται πραγματικά για διεπιστημονική προσπάθεια, προκειμένου να κατασκευαστεί ένα εργαλείο που να ανταποκρίνεται στις μεγαλύτερες απαιτήσεις της σύγχρονης Νευροβιολογίας» συμπληρώνει ο Dr. Jeong, ο οποίος σήμερα είναι επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Colorado.
Σε επόμενο στάδιο οι ερευνητές έλεγξαν τη δυνατότητα του εμφυτεύματος να διαβιβάζει ταυτόχρονα φάρμακα και φωτεινά ερεθίσματα στον εγκέφαλο. Συγκεκριμένα χρησιμοποίησαν στελέχη ποντικών με ‘φωτοευαίσθητους’ νευρώνες στην κοιλιακή καλυπτρική περιοχή και μέσω του εμφυτεύματος διαβίβασαν εξ’ αποστάσεως παλμούς laser στα κύτταρα αυτά καθιστώντας τα αδρανή και συνεπώς τα ποντίκια έμεναν σε μια περιοχή του κλουβιού τους χωρίς να μετακινούνται! Επιπλέον ‘διέταξαν’ το εμφύτευμα να διαδιβάσει στον εγκέφαλό των ποντικών αυτών ταυτόχρονα ένα φάρμακο που μπλοκάρει την επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων και έτσι τα ποντίκια έχασαν την ‘επιλογή’ του να κινηθούν στο κλουβί. Να σημειώσουμε ότι όλα αυτά συνέβαιναν ενώ τα ποντίκια ήταν περίπου ένα μέτρο μακριά από την κεραία που ελέγχει το εμφύτευμα!
Το εμφύτευμα και η τοποθέτησή του στον εγκέφαλο των ποντικών
Πηγή: Jeong et al., Wireless Optofluidic Systems for Programmable In Vivo Pharmacology and Optogenetics, Cell (2015), https://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.06.058
«Αυτό είναι το επαναστατικό εργαλείο που χρειάζονται οι Νευροεπιστήμονες για να χαρτογραφήσουν με ακρίβεια τα κυκλώματα του εγκεφάλου» είπε ο James Gnadt, PhD, Διευθυντής προγραμμάτων στο National Institute of Neurological Disorders and Stroke. «Η ανάπτυξη ενός τέτοιου εμφυτεύματος είναι σε αρμονία με τους στόχους της πρωτοβουλίας Brain Initiative του NIH».
Είναι σαφές ότι ένα τέτοιο εργαλείο θα ανοίξει νέους δρόμους τόσο σε ό,τι αφορά τη βασική έρευνα αλλά και σε ότι αφορά πιθανές θεραπευτικές προσεγγίσεις.
Οι επιστήμονες δίνουν στο άρθρο τους σαφείς οδηγίες για την κατασκευή ενός τέτοιου εμφυτεύματος γιατί όπως λέει και ο Bruchas… « Ένα εργαλείο είναι χρήσιμο μόνο όταν χρησιμοποιείται»! Τέλος συμπληρώνει ότι «μια ανοιχτή και διεπιστημονική προσέγγιση στη Νευροβιολογία είναι αυτή που θα μας οδηγήσει στην επίλυση των πιο δύσκολων ερωτημάτων και στην κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου!»
Ή αλλιώς…
Ένα θαύμα της τεχνολογίας θα βοηθήσει
στην κατανόηση του θαύματος της Φύσης;
