В работе, опубликованной в журнале Neuron, ученые представили новую оптогенетическую систему для приматов, позволяющую стимулировать кору головного мозга с рекордным разрешением в миллион «пикселей» на площади в несколько квадратных сантиметров. Это открывает путь к новым методам лечения неврологических заболеваний и созданию высокоточных зрительных протезов.
В настоящее время методы стимуляции мозга у приматов имеют серьезные ограничения: электроды можно имплантировать лишь в определенные точки с шагом в миллиметры, что слишком грубо для точного управления нейронами. Например, в первичной зрительной коре функциональные домены, отвечающие за распознавание цвета, ориентацию линий и другие навыки, имеют размер всего 0.1-0.2 мм, и для точного воздействия именно на эти области нужна плотность стимуляции более 100 точек на квадратный миллиметр.
Одним из вариантов решения считается оптогенетика, когда для активации нейронов используется свет, но для приматов ее применение было ограничено из-за инвазивности и нестабильных результатов. О достижениях оптогенетики в борьбе с различными заболеваниями мы писали ранее, в том числе и о том, как оптогенетика помогает восстановить зрение.
Команда исследователей из Китая доработали систему, используя три ключевых элемента. Во-первых, они использовали оптическую систему на основе микро-светодиодной (microLED) панели с разрешением 1280×720 пикселей и шагом пикселя 5 мкм. Специально сконструированная широкопольная линза проецирует изображение с этой панели на поверхность коры мозга, создавая «световой дисплей», где каждым «пикселем» можно управлять, формируя произвольные области стимуляции. Стимуляция даже одного пикселя (размер изображения 8×8 мкм) приводит к активации участка коры диаметром около 100 мкм у мышей.
Во-вторых, авторы использовали белок опсин ChRger, который в экспериментах на мышах и обезьянах оказался крайне чувствителен к свету. В-третьих, они разработали специализированную имплантируемую камеру для точного и повторяемого позиционирования головного устройства, обеспечивающую долгосрочный устойчивый доступ к коре.
Используя новую оптическую систему, ученые стимулировали первичную зрительную кору макаки световыми «рисунками», а обезьян обучали совершать саккады (быстрые движения глаз) в сторону возникающих у них в сознании световых ощущений.
Оказалось, что оптогенетическая стимуляция надежно и точно вызывает саккады с очень низким порогом световой интенсивности (от 0.03 мВт/мм²). Меняя точку стимуляции на поверхности первичной зрительной коры, можно управлять направлением саккады. Стимуляция 144 точек в первичной зрительной коре одной из обезьян позволила построить детальную карту визуального поля, сгенерированную оптогенетически.
Эта работа не просто предлагает новый инструмент исследования, а задает вектор развития технологии нейромодуляции для приматов, открывая реальные перспективы для восстановления зрения через прямое и точное оптическое кодирование информации в коре головного мозга. Новая система перспективна как для фундаментальных исследований работы коры, так и для разработки оптических интерфейсов «мозг-компьютер» и зрительных протезов.
Текст: Юлия Баимова