Beyin implantları, nöronların aktivitesini uyarmak ve kaydetmek için genellikle gri maddeye nüfuz eden elektrotlar kullanır. Bu tür implantlar, cerrahi bir müdahale gerektirir. Bu ihtiyacı ortadan kaldırmak için, elektrik mühendisi ve MIT'de yardımcı profesör olan Deblina Sarkar liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, canlı hücrelerle hibritleştirilmiş mikroskobik elektronik cihazlar geliştirdi. Bu hücreler standart bir şırınga ile dolaşım sistemine enjekte edilebiliyor ve kan dolaşımı yoluyla hedeflenen beyin bölgelerine yerleşebiliyor.
Sarkar, MIT'deki bu teknoloji üzerinde çalıştıkları ilk iki yıl boyunca 35 hibe başvurusunun reddedildiğini belirtiyor. Gelen geri bildirimlerin, fikirlerinin çok etkili ancak imkansız olduğu yönünde olduğunu söylüyor. Sarkar, önerinin bilim kurgu romanlarında rastlanabilecek bir şey gibi göründüğünü kabul ediyor, ancak altı yılı aşkın bir araştırma sonucunda bunu başardılar.
Nanobot Sorunları
2022'de, Sarkar ve meslektaşları ilk verileri topladığında ve hücre-elektronik hibritleriyle umut verici sonuçlar elde ettiğinde, proje Ulusal Sağlık Enstitüleri Direktörü Yeni Yenilikçi Ödülü'ne aday gösterildi. 35 redden sonra, proje ilk kez hakemli incelemeyi geçti. Sarkar, projenin bugüne kadarki en yüksek etki puanını aldığını belirtiyor.
Bu yüksek puanın nedeni, geliştirdikleri teknolojinin üç son derece zorlu problemi çözmüş olmasıydı. Bunlardan ilki, kanımızda dolaşabilen hücrelerden daha küçük, işlevsel elektronik cihazlar yapmaktı.
Sarkar, daha önceki ve çok az başarı elde eden denemelerin, kan dolaşımına manyetik parçacıklar yerleştirip ardından bunları manyetik alanlarla yönlendirmeye dayandığını açıklıyor. Ancak Sarkar'a göre, elektronikler ve parçacıklar arasında bir fark var. Bilgisayar işlemcileri üretmek için kullandığımız CMOS teknolojisiyle yapılan elektronikler, fotovoltaikler gibi gelen ışıktan elektrik üretebilir ve daha akıllı uygulamalar için gerekli hesaplamaları yapabilir. Parçacıklar ise hücreleri yalnızca belirli bir dereceye kadar uyarabilir.
Elbette, eğer bu parçacıklar hücrelere ulaşırsa. Bu, ikinci problemdi. Sarkar, cihazları manyetik alanlarla kontrol etmenin, MRI boyutunda bir makineye girilmesi gerektiği anlamına geldiğini söylüyor. Denek makineye girdikten sonra, operatör cihazların nerede olduğunu izleyerek yalnızca manyetik alanlar kullanarak onları olması gereken yere taşımaya çalışır. Sarkar, bunun karmaşık damar yapımızla pek uyuşmayan, dümdüz çizgiler dışında bir şey hareket ettirmeyi zorlaştırdığını belirtiyor.
Ekibinin bulduğu çözüm, bu elektronikleri vücudumuzdaki iltihap alanlarını hedef alabilen bağışıklık hücreleri olan monositlerle birleştirmekti. Fikir, monositlerin hücrelerin kimyasal hedefleme mekanizmasını kullanarak elektronik cihazları kan dolaşımı yoluyla taşımasıydı. Bu aynı zamanda üçüncü problemi de çözdü: beyni patojenlerden ve toksinlerden koruyan kan-beyin bariyerini aşma. Tek başına elektronikler bunu başaramazken, monositler başarabiliyordu.
Asıl zorluk, tüm bu fikirleri hayata geçirmekti.
Birleşen Parçalar
Sarkar'ın ekibi, biyouyumlu polimer ve metal katmanlardan oluşan, standart bir CMOS işlemiyle silikon plakalarda üretilmiş elektronik cihazlar geliştirdi. Sarkar, bu cihazları bilgisayar çipleri için transistör üretiminde kullanılan litografi tekniğiyle bu kadar küçülttüklerini açıklıyor. Cihazlar yaklaşık 200 nanometre kalınlığında ve 10 mikron çapındaydı; bu da onları bir monosit hücresinin genellikle 12 ila 18 mikron olmasıyla hücrealtı boyutta tutuyordu. Cihazlar, beynin birkaç santimetre derinliğine nüfuz edebilen kızılötesi ışıkla aktive edildi ve güçlendirildi.
Cihazlar üretilip plakadan çıkarıldıktan sonraki adım, onları monositlere bağlamaktı.
Bu amaçla ekip, elektronik cihazların yüzeylerini, özellikle azit adı verilen azot bileşikleriyle kolayca bağlanabilen, çok reaktif bir molekül olan dibezosiklooktin ile kapladı. Ardından Sarkar ve meslektaşları, monositleri yüzeylerine azit yerleştirecek şekilde kimyasal olarak modifiye etti. Bu sayede, elektronik cihazlar ve hücreler, neredeyse Lego blokları gibi hızlıca bir araya gelebiliyordu (bu yaklaşıma 2022 Kimya Nobel Ödülü'nü getiren tıklama kimyası adı veriliyor).
Ortaya çıkan hücre-elektronik hibritleri çözeltisi biyouyumlu olacak şekilde tasarlandı ve dolaşım sistemine enjekte edilebilirdi. Bu yüzden Sarkar, bu konseptine "sirkülatronik" adını verdi.
Elbette, Sarkar'ın "sirkülatronik" hibritleri bilim kurgu hayallerinden biraz uzak olsa da, şimdiye kadar yarattığımız en yakın şey olabilir.
Yapay Nöronlar
Bu hibritleri canlı farelerde test etmek için araştırmacılar, daha kolay takip edilebilmeleri için floresan bir versiyon hazırladılar. Fareler önce anestezi altına alındı ve ekibin beynin ventrolateral talamik çekirdeği çevresinde belirli bir noktada yapay olarak iltihap oluşturdu. Ardından hibritler farelerin damarlarına enjekte edildi. Monositlerin iltihaba ulaşması için gereken yaklaşık 72 saat beklendikten sonra, Sarkar ve meslektaşları testlere başladılar.
Enjekte edilen hibritlerin çoğunun hedefe ulaştığı ortaya çıktı; elektronikler büyük ölçüde monositlere bağlı kalmıştı. Ekibin ölçümleri, yaklaşık 14.000 hibritin beynin hedef bölgesindeki nöronların yakınına başarıyla yerleştiğini gösteriyor. Daha sonra, kızılötesi ışınlamaya yanıt olarak, cerrahi olarak yerleştirilen geleneksel elektrotlarla karşılaştırılabilir düzeyde önemli nöronal aktivasyon sağladılar.
Sarkar, hibritlerin asıl gücünün, spesifik hastalıklara göre ayarlanabilmesi olduğunu düşünüyor. "Bu deney için monositleri seçtik çünkü beyindeki iltihap noktaları genellikle birçok nörodejeneratif hastalığın hedefidir" diyor Sarkar. Ancak uygulamaya bağlı olarak hibritlerin performansı, elektronik ve hücresel bileşenlerini manipüle ederek ayarlanabilir. "Alzaymır için mezenkimal kök hücreleri, tümörler için ise T hücreleri ve diğer nöral kök hücreleri kullandığımızı zaten test ettik" diye açıklıyor Sarkar.
Teknolojisinin bir gün, bugün cerrahi yollarla güvenli bir şekilde ulaşılamayan beyin bölgelerine implant yerleştirmeye yardımcı olabileceğini ekliyor. "Glioblastoma adı verilen ve yayılmış tümör bölgeleri oluşturan bir beyin kanseri var. Bir diğer örnek ise DIPG'dir [bir glioma türü], çocuklarda görülen ve cerrahinin imkansız olduğu bir bölgede gelişen ölümcül bir beyin kanseridir" diye ekliyor.
Ancak daha uzak bir gelecekte, hibritler hastalıkları hedeflemenin ötesinde uygulamalar bulabilir. Beyin implantlarından elde edilen verilerin büyük çoğunluğunu kullanan çalışmalar, yalnızca şiddetli beyin rahatsızlıklarından muzdarip katılımcılarla sınırlı kalmıştır. İmplantlar terapötik nedenlerle beyinlerine yerleştirilmişti ve araştırma projelerine katılmak sadece yan yana kabul ettikleri bir şeydi.
Sarkar'ın hibritlerindeki elektronikler, belirlenen bir süre sonra tamamen parçalanacak şekilde tasarlanabildiği için, ekip bunun potansiyel olarak sağlıklı insanlardan beyin implantı verileri toplamayı mümkün kılabileceğini düşünüyor. İmplantlar çalışma süresi boyunca işlerini yapacak ve bittikten sonra ortadan kaybolacak. Elbette kalmalarını istemediğimiz sürece.
Sarkar, "Uygulama kolaylığı, implantları sağlıklı insanlar için tasarlanmış beyin-bilgisayar arayüzlerinde uygulanabilir hale getirebilir" diyor. "Ayrıca, elektrotlar yapay nöronlar gibi çalışacak şekilde yapılabilir. Prensip olarak kendimizi geliştirebiliriz, nöron yoğunluğumuzu artırabiliriz."
Ancak ilk olarak, ekip hibritleri daha büyük hayvanlar üzerinde bir test kampanyasına tabi tutmak ve ardından klinik denemeler için FDA onayı almak istiyor. "Sirkülatronik" teknolojisini pazara sunmak üzere kurulan bir MIT yan kuruluşu olan Cahira Technologies aracılığıyla Sarkar, bunu önümüzdeki üç yıl içinde gerçekleştirmek istiyor.
