Een baanbrekende nieuwe brain-machine interface (BMI) gebruikt licht om rechtstreeks met de hersenen te communiceren, waarbij de traditionele sensorische paden worden omzeild. Recente experimenten met muizen demonstreren een minimaal invasief draadloos apparaat dat kunstmatige input kan leveren aan genetisch gemodificeerde neuronen, en effectief met de hersenen kan ‘spreken’ door middel van lichtpatronen. Deze technologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het neurowetenschappelijk onderzoek en veelbelovend kunnen zijn voor toekomstige prothetische ontwikkelingen.
Hoe het apparaat werkt
Het apparaat, kleiner dan een menselijke vinger, past zich aan de kromming van de schedel aan en bevat 64 kleine LED’s, een elektronisch circuit en een ontvangstantenne. Het werkt met behulp van Near Field Communication (NFC) – dezelfde technologie achter contactloze kaartbetalingen – om de LED’s draadloos te bedienen. In tegenstelling tot traditionele BMI’s die directe hersenimplantaten of omvangrijke externe hardware vereisen, bevindt dit apparaat zich onder de hoofdhuid en projecteert het licht rechtstreeks op het hersenweefsel.
De sleutel is genetische modificatie. Hersencellen reageren van nature niet op licht, dus gebruikten onderzoekers genbewerking om lichtgevoelige ionkanalen in neuronen te introduceren. Wanneer ze worden geactiveerd door de LED’s, activeren deze kanalen neurale signalen, waardoor nauwkeurige controle over de hersenactiviteit mogelijk is. Deze techniek, bekend als optogenetica, stelt onderzoekers in staat het sensorische systeem volledig te omzeilen.
Muisexperimenten demonstreren functionaliteit
In experimenten werden muizen getraind om specifieke lichtpatronen te associëren met beloningen. Door de LED’s draadloos aan te sturen, konden onderzoekers het apparaat opdracht geven verschillende lichtflitsen te produceren, die de muizen leerden herkennen en waarop ze konden reageren. Bepaalde patronen leidden hen bijvoorbeeld naar suikerwater, verborgen in een laboratoriumdoolhof.
“Het is alsof we een reeks beelden – bijna alsof je een film afspeelt – rechtstreeks in de hersenen kunnen projecteren door de opeenvolging van patronen te controleren”, zegt John Rogers, senior auteur van het onderzoek aan de Northwestern University.
Het apparaat is niet beperkt tot het stimuleren van visuele waarnemingsgebieden; het kan neuronen in de hele cortex activeren, waardoor complexe patronen van neurale activiteit mogelijk zijn.
Implicaties voor toekomstig onderzoek en protheses
Het team ziet een aanzienlijk potentieel in protheses. Deze technologie zou realistische sensaties – zoals aanraking of druk – aan prothetische ledematen kunnen toevoegen, of zelfs de auditieve of visuele input bij patiënten met sensorische beperkingen kunnen herstellen.
Bin He, een neurotechnisch onderzoeker aan de Carnegie Mellon Universiteit die niet bij het onderzoek betrokken was, noemde de techniek ‘nieuw’ en suggereerde dat deze ‘verschillende toepassingen zou kunnen hebben in neurowetenschappelijk onderzoek met behulp van diermodellen… en daarbuiten’.
Er blijven echter hindernissen op regelgevingsgebied bestaan. De grootste uitdaging is het verkrijgen van goedkeuring voor de genetische modificatiecomponent, aangezien optogenetische technieken nog maar net bij mensen worden onderzocht. Hoewel verwacht wordt dat het apparaat bij mensen op dezelfde manier zal functioneren, zijn verdere tests noodzakelijk.
Deze technologie vertegenwoordigt een krachtig hulpmiddel voor fundamenteel neurowetenschappelijk onderzoek. Het stelt wetenschappers in staat natuurlijke sensorische kanalen te omzeilen en rechtstreeks in contact te komen met de hersenen, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het begrijpen van neurale processen. Hoewel proeven op mensen nog jaren op zich laten wachten, markeert deze doorbraak een belangrijke stap in de richting van een nieuwe generatie brein-machine-interfaces.
