Επανάσταση στην τεχνολογία: Τσιπ μικρότερο από κόκκο αλατιού «διαβάζει» τον εγκέφαλό μας

Ερευνητές του Cornell University, σε συνεργασία με άλλους επιστήμονες, ανέπτυξαν ένα εξαιρετικά μικρό νευρικό εμφύτευμα που μπορεί να τοποθετηθεί πάνω σε έναν κόκκο αλατιού και να μεταδίδει ασύρματα δεδομένα εγκεφαλικής δραστηριότητας από ζωντανό οργανισμό για περισσότερο από έναν χρόνο.

Η καινοτομία, που δημοσιεύθηκε στο Nature Electronics, αποδεικνύει ότι τα μικροηλεκτρονικά συστήματα μπορούν να λειτουργήσουν σε κλίμακα πολύ μικρότερη από ό,τι ήταν μέχρι σήμερα εφικτό. Το επίτευγμα αυτό ανοίγει τον δρόμο για νέες μεθόδους μακροχρόνιας παρακολούθησης του εγκεφάλου, αισθητήρων βιοενσωμάτωσης και συναφών τεχνολογιών.

Μικροσκοπικά νευρικά εμφυτεύματα νέας γενιάς

Η συσκευή, γνωστή ως MOTE (microscale optoelectronic tetherless electrode), αναπτύχθηκε υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Ηλεκτρολόγων και Μηχανικών Υπολογιστών στο Cornell, Alyosha Molnar, και του επίκουρου καθηγητή στο Nanyang Technological University, Sunwoo Lee.

Ο Lee είχε ξεκινήσει την έρευνα πάνω στην τεχνολογία αυτή ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Molnar.

Ασύρματη λειτουργία με φως και οπτική μετάδοση δεδομένων

Το MOTE τροφοδοτείται μέσω κόκκινου και υπέρυθρου φωτός λέιζερ, το οποίο μπορεί να διαπερνά με ασφάλεια τον εγκεφαλικό ιστό. Μεταδίδει δεδομένα εκπέμποντας παλμούς υπέρυθρου φωτός που φέρουν κωδικοποιημένα ηλεκτρικά σήματα από τον εγκέφαλο.

Η συσκευή χρησιμοποιεί δίοδο ημιαγωγού από αρσενιούχο αργίλιο-γάλλιο για τη συλλογή του φωτός που την τροφοδοτεί και για την εκπομπή του σήματος. Το σύστημα υποστηρίζεται από ενισχυτή χαμηλού θορύβου και οπτικό κωδικοποιητή, κατασκευασμένους με τεχνολογία ημιαγωγών παρόμοια με εκείνη των σύγχρονων μικροτσίπ.

Το MOTE έχει μήκος περίπου 300 μικρόμετρα και πλάτος 70 μικρόμετρα. «Όσο γνωρίζουμε, πρόκειται για το μικρότερο νευρικό εμφύτευμα που μπορεί να μετρήσει ηλεκτρική δραστηριότητα στον εγκέφαλο και να τη μεταδώσει ασύρματα», δήλωσε ο Molnar. «Χρησιμοποιώντας κώδικα παλμικής διαμόρφωσης – τον ίδιο που εφαρμόζεται στις οπτικές επικοινωνίες δορυφόρων – μπορούμε να επικοινωνούμε με ελάχιστη ενέργεια και να λαμβάνουμε τα δεδομένα οπτικά».

Νέες δυνατότητες για την παρακολούθηση του εγκεφάλου

Οι ερευνητές δοκίμασαν τη συσκευή αρχικά σε κυτταρικές καλλιέργειες και στη συνέχεια την εμφύτευσαν στον εγκεφαλικό φλοιό ποντικών, στην περιοχή που επεξεργάζεται τις αισθητηριακές πληροφορίες από τα μουστάκια. Για διάστημα ενός έτους, το εμφύτευμα κατέγραφε επιτυχώς ηλεκτρικά σήματα νευρώνων και μοτίβα συναπτικής δραστηριότητας, ενώ τα ζώα παρέμεναν υγιή και ενεργά.

«Ένας από τους λόγους που το επιχειρήσαμε είναι ότι τα παραδοσιακά ηλεκτρόδια και οι οπτικές ίνες μπορούν να ερεθίσουν τον εγκέφαλο», εξήγησε ο Molnar. «Ο ιστός κινείται γύρω από το εμφύτευμα και μπορεί να προκαλέσει ανοσολογική αντίδραση. Θέλαμε η συσκευή να είναι τόσο μικρή ώστε να ελαχιστοποιεί αυτή τη διαταραχή, ενώ να καταγράφει τη δραστηριότητα ταχύτερα από τα συστήματα απεικόνισης και χωρίς γενετική τροποποίηση των νευρώνων».

Σύμφωνα με τον Molnar, η σύνθεση των υλικών του MOTE θα μπορούσε να επιτρέψει τη συλλογή ηλεκτρικών δεδομένων κατά τη διάρκεια εξετάσεων MRI, κάτι που σήμερα δεν είναι εφικτό με τα υπάρχοντα εμφυτεύματα. Επιπλέον, η τεχνολογία μπορεί να προσαρμοστεί για χρήση σε άλλους ιστούς, όπως ο νωτιαίος μυελός, ή να συνδυαστεί με μελλοντικές καινοτομίες, όπως οπτοηλεκτρονικά συστήματα ενσωματωμένα σε τεχνητά κρανιακά εμφυτεύματα.

Μια ιδέα που ωρίμασε μέσα στον χρόνο

Ο Molnar συνέλαβε την ιδέα του MOTE ήδη από το 2001, ωστόσο η έρευνα απέκτησε δυναμική περίπου πριν από δέκα χρόνια, όταν ξεκίνησε η συνεργασία του με το Cornell Neurotech – μια κοινή πρωτοβουλία των Σχολών Τεχνών και Επιστημών και Μηχανικής του πανεπιστημίου.

Η μελέτη με τίτλο «A subnanolitre tetherless optoelectronic microsystem for chronic neural recording in awake mice» δημοσιεύθηκε στις 3 Νοεμβρίου 2025 στο περιοδικό Nature Electronics (DOI: 10.1038/s41928-025-01484-1).

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από τα National Institutes of Health, ενώ η κατασκευή πραγματοποιήθηκε στο Cornell NanoScale Facility, που υποστηρίζεται από το National Science Foundation.