Onderzoekers van Northwestern University hebben een baanbrekende draadloze neurotechnologie ontwikkeld die informatie rechtstreeks naar de hersenen stuurt met behulp van lichtpatronen, waarbij de natuurlijke sensorische banen van het lichaam volledig worden omzeild. Het zachte, flexibele implantaat wordt onder de hoofdhuid maar boven de schedel geplaatst, waar micro-leds nauwkeurige lichtsignalen door het bot heen sturen om specifieke neuronen in de cortex te activeren.
Het systeem opent de deur naar een nieuwe klasse van neuroprotheses die op een dag de zintuiglijke functie zouden kunnen herstellen, kunstmatig zicht of gehoor kunnen bieden, revalidatie na een beroerte kunnen verbeteren, pijn zonder medicatie kunnen beheersen of rijkere feedback kunnen geven voor prothesen. De studie, “Patterned wireless transcranial optogenetics generates artificial perception” (Gepatenteerde draadloze transcraniële optogenetica genereert kunstmatige waarneming), werd gepubliceerd in Nature Neuroscience.
Een minimaal invasieve optische interface
Het apparaatje ter grootte van een postzegel bevat maximaal 64 afzonderlijk programmeerbare micro-leds, die elk zo dun zijn als een menselijke haar. Het apparaatje wordt draadloos van stroom voorzien en volledig onder de huid geïmplanteerd, waardoor de traditionele beperkingen van optogenetica, waarvoor vroeger omvangrijke glasvezelkabels nodig waren die de bewegingsvrijheid beperkten, worden vermeden.
“Met dit platform kunnen we volledig nieuwe sensorische signalen creëren en zien hoe de hersenen deze leren interpreteren”, aldus neurobioloog Yevgenia Kozorovitskiy, die leiding gaf aan het experimentele werk. “Het brengt ons dichter bij het herstellen van verloren zintuigen na een verwonding of ziekte.”
Bio-elektronicapionier John A. Rogers, die het apparaat heeft ontworpen, benadrukte het praktische potentieel ervan: “We hebben nu een volledig implanteerbaar, programmeerbaar systeem dat zonder draden of batterijen werkt, een belangrijke mijlpaal voor toekomstige klinische toepassingen.”
De hersenen leren kunstmatige signalen te begrijpen
In experimenten met muizen die waren gemanipuleerd om op licht te reageren, gaven onderzoekers gepatroniseerde optische stimulatie aan meerdere corticale regio's. De dieren leerden snel om specifieke lichtpatronen als betekenisvolle signalen te interpreteren en gebruikten de kunstmatige signalen om gedragstaken uit te voeren, ondanks de afwezigheid van geluid, aanraking of visuele input.
Door uitsluitend op basis van lichtgecodeerde patronen de juiste beloningspoort te selecteren, toonden de muizen aan dat de hersenen deze synthetische signalen kunnen integreren in besluitvormingsprocessen. “Het aantal stimulatiepatronen dat we kunnen genereren is bijna oneindig”, aldus eerste auteur Mingzheng Wu. “Deze technologie maakt een ongekende controle over gedistribueerde hersenactiviteit mogelijk.”
Op weg naar de volgende generatie neuroprothesen
Omdat echte zintuiglijke ervaringen wijdverspreide neurale netwerken activeren, betekent de multi-regionale LED-array een grote vooruitgang ten opzichte van eerdere implantaten met één LED. De nieuwe versie vermijdt ook penetratie van de hersenen; in plaats daarvan gaat rood licht veilig door de schedel om diepere neuronen te bereiken, waardoor de aanpak minder invasief is. Het team is nu van plan om complexere patronen te testen, op te schalen naar grotere arrays en dieper doordringende golflengten te onderzoeken.
Dit werk toont een fundamentele doorbraak aan: de hersenen kunnen leren om volledig nieuwe kunstmatige input te interpreteren. Een bevinding met verstrekkende gevolgen voor neurologische zorg, digitale therapieën en toekomstige mens-machine-interfaces.
