O dispositivo é macio e flexível, se ajustando abaixo do couro cabeludo enquanto repousa sobre o crânio. A partir dessa posição, ele envia padrões de luz cuidadosamente controlados através do osso para ativar grupos específicos de neurônios no córtex.

Sinais Baseados em Luz no Cérebro de Modelos Animais

Durante os testes, os pesquisadores usaram pequenas pulsações de luz perfeitamente temporizadas para estimular populações-alvo de neurônios profundamente no cérebro de modelos de camundongos. (Esses neurônios foram geneticamente modificados para responder à luz.) Os camundongos rapidamente aprenderam a interpretar certos padrões como sinais significativos. Mesmo sem som, visão ou tato, os animais usaram as informações recebidas para tomar decisões e completar tarefas comportamentais com precisão.

Essa tecnologia pode, um dia, apoiar uma ampla gama de aplicações médicas. Os potenciais usos incluem fornecer feedback sensorial para membros prostéticos, entregar entradas artificiais para futuros próteses de audição ou visão, controlar membros robóticos, melhorar a reabilitação após lesões ou derrames, e modificar a percepção da dor sem medicamentos.

O trabalho será publicado na segunda-feira (8 de dezembro) na Nature Neuroscience.

Criando Novos Sinais Cerebrais com Tecnologia Micro-LED

“Nossos cérebros estão constantemente transformando atividade elétrica em experiências, e essa tecnologia nos dá uma maneira de acessar esse processo diretamente,” disse a neurobiologista de Northwestern, Yevgenia Kozorovitskiy, que liderou a parte experimental do estudo. “Essa plataforma nos permite criar sinais completamente novos e ver como o cérebro aprende a usá-los. Isso nos traz um pouco mais perto de restaurar sentidos perdidos após lesões ou doenças, ao mesmo tempo que oferece uma janela para os princípios básicos que nos permitem perceber o mundo.”

John A. Rogers, uma figura de destaque em bioeletrônica e responsável pelo desenvolvimento da tecnologia, disse: “Desenvolver esse dispositivo exigiu repensar como fornecer estimulação em padrões ao cérebro em um formato que seja minimamente invasivo e completamente implantável. Integrando uma matriz macia e conformável de micro-LEDs — cada um do tamanho de um único fio de cabelo humano — com um módulo de controle alimentado sem fio, criamos um sistema que pode ser programado em tempo real, permanecendo completamente sob a pele, sem nenhum efeito mensurável nos comportamentos naturais dos animais. Isso representa um passo significativo para construir dispositivos que possam se integrar ao cérebro sem a necessidade de fios pesados ou hardware externo volumoso. É valioso tanto em curto prazo para a pesquisa básica em neurociência quanto em longo prazo para enfrentar desafios de saúde em humanos.”

Kozorovitskiy é Professora Irving M. Klotz de Neurobiologia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Instituto de Química dos Processos da Vida. Rogers possui nomeações em ciência e engenharia de materiais, engenharia biomédica e cirurgia neurológica, e dirige o Instituto Querrey Simpson para Bioeletrônica. O primeiro autor do estudo é o pesquisador de pós-doutorado Mingzheng Wu.

Avançando em Avanços Anteriores em Optogenética

A pesquisa se baseia em trabalhos anteriores da mesma equipe. Em 2021, eles relataram o primeiro dispositivo totalmente implantável, programável, sem fio e sem bateria que poderia controlar neurônios com luz. Esse sistema usava uma única sonda micro-LED para influenciar o comportamento social em camundongos. Diferente da optogenética tradicional, que dependia de fios de fibra ótica que limitavam o movimento, o design sem fio permitiu que os camundongos se comportassem normalmente em ambientes sociais.

O novo dispositivo estende essa capacidade, permitindo uma comunicação mais complexa com o cérebro. Em vez de estimular uma pequena região, o sistema atualizado usa uma matriz de até 64 micro-LEDs programáveis. Cada luz pode ser controlada de forma independente em tempo real, permitindo que os pesquisadores entreguem sequências que se assemelham aos padrões de atividade distribuída que o cérebro produz naturalmente durante experiências sensoriais. Como as sensações reais ativam redes amplas em vez de neurônios isolados, essa abordagem multi-local se assemelha à forma como o córtex normalmente funciona.

“No primeiro artigo, usamos um único micro-LED,” disse Wu. “Agora estamos usando uma matriz de 64 micro-LEDs para controlar o padrão da atividade cortical. O número de padrões que podemos gerar com várias combinações de LEDs — frequência, intensidade e sequência temporal — é praticamente infinito.”

Um Design Macio e Menos Invasivo

Apesar da capacidade adicionada, o dispositivo permanece pequeno. Ele tem cerca do tamanho de um selo postal e é mais fino que um cartão de crédito. Em vez de inserir uma sonda no cérebro, a nova versão se conforma suavemente à superfície do crânio e projeta luz através do osso.

“A luz vermelha penetra bem nos tecidos,” disse Kozorovitskiy. “Ela atinge o suficiente para ativar neurônios através do crânio.”

Treinando o Cérebro para Reconhecer Padrões Sintéticos

Para avaliar o sistema, a equipe trabalhou com camundongos projetados para ter neurônios responsivos à luz no córtex. Os animais foram treinados para associar um padrão particular de estimulação com uma recompensa, geralmente localizada em um determinado porto dentro de uma câmara de testes.

Durante uma série de experimentos, o implante entregou um padrão definido em quatro regiões corticais, que funcionou como se estivesse digitando uma mensagem codificada diretamente no cérebro. Os camundongos aprenderam a identificar esse padrão-alvo entre muitas alternativas. Quando detectavam o sinal artificial correto, navegavam até o porto apropriado para receber uma recompensa.

“Ao selecionar consistentemente o porto correto, o animal mostrou que recebeu a mensagem,” disse Wu. “Eles não podem usar a linguagem para nos dizer o que sentem, então comunicam-se através do comportamento.”

Desenvolvimento Futuro e Aplicações Mais Amplas

Agora que a equipe demonstrou que o cérebro pode interpretar a estimulação de luz em padrões como informações significativas, eles planejam testar padrões mais sofisticados e determinar quantos sinais distintos o cérebro pode aprender com confiabilidade. Versões futuras do dispositivo podem incorporar mais LEDs, espaçamento menor entre eles, matrizes maiores cobrindo mais córtex e comprimentos de onda de luz que penetram mais profundamente nos tecidos.

O estudo, “A estimulação ótica transcraniana wireless e padronizada gera percepções artificiais,” recebeu apoio do Instituto Querrey Simpson para Bioeletrônica, NINDS/BRAIN Initiative, Instituto Nacional de Saúde Mental, Prêmio Nick LeDeit Rising Star de One Mind, Prêmio de Exploração Kavli, Prêmio Pioneer da Família Shaw, Fundação Simons, Fundação Alfred P. Sloan e Bolsa Christina Enroth-Cugell e David Cugell.