Wiele zachowań, takich jak odżywianie, stan psychiczny, a nawet niektóre zaburzenia neurologiczne, jest kontrolowanych przez rozległą sieć komunikacyjną, przekazującą sygnały między mózgiem a przewodem pokarmowym. Jednak technologia niezbędna do zrozumienia tej „interoceptywnej sygnalizacji mózgowo-trzewnej” jest ograniczona.

Teraz do sondowania tych połączeń można wykorzystać nową technologię, która jest wielofunkcyjnym interfejsem neuronowym. Wykorzystując włókna z wbudowanymi różnymi czujnikami, a także źródła światła do stymulacji optogenetycznej, naukowcy wykazali, że mogą kontrolować obwody nerwowe łączące jelita i mózg u myszy.

Ta praca jest opublikowana w Biotechnologia przyrody w artykule „Wielofunkcyjne włókna mikroelektroniczne umożliwiają bezprzewodową modulację obwodów nerwowych jelit i mózgu”.

„Ekscytujące jest to, że mamy teraz technologię, która może sterować funkcjami jelit i zachowaniami, takimi jak karmienie. Co ważniejsze, mamy możliwość uzyskania dostępu do przesłuchu między jelitami a mózgiem z milisekundową precyzją optogenetyki i możemy to zrobić na zachowaniach zwierząt” – powiedziała dr Polina Anikeeva, profesor inżynierii materiałowej na MIT i członek McGovern Institute for Brain Research na MIT.

„Istnieje ciągły, dwukierunkowy przesłuch między ciałem a mózgiem” — powiedziała Anikeeva. „Przez długi czas myśleliśmy, że mózg jest tyranem, który wysyła dane wyjściowe do narządów i kontroluje wszystko. Ale teraz wiemy, że w mózgu jest wiele sprzężeń zwrotnych, które potencjalnie kontrolują niektóre funkcje, które wcześniej przypisywaliśmy wyłącznie centralnej kontroli nerwowej”.

Anikeeva była zainteresowana badaniem sygnałów, które przechodzą między mózgiem a układem nerwowym jelit. Komórki czuciowe w jelitach wpływają na głód i sytość zarówno poprzez komunikację neuronalną, jak i uwalnianie hormonów.

Interfejs elektroniczny składa się z elastycznych włókien, które mogą pełnić różne funkcje i mogą być wprowadzane do interesujących narządów. Aby stworzyć włókna, Atharva Sahasrabudhe, absolwent MIT, wykorzystał rysunek termiczny, który pozwolił mu stworzyć włókna polimerowe, tak cienkie jak ludzki włos, w które można włożyć elektrody i czujniki temperatury.

Włókna zawierają również urządzenia emitujące światło w mikroskali, które można wykorzystać do optogenetycznej stymulacji komórek, oraz kanały mikroprzepływowe, które można wykorzystać do dostarczania leków. Włókna są również zaprojektowane tak, aby można było nimi sterować bezprzewodowo za pomocą zewnętrznego obwodu sterującego, który można tymczasowo przymocować do zwierzęcia podczas eksperymentu.

Korzystając z tego interfejsu, naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów, aby wykazać, że mogą wpływać na zachowanie poprzez manipulację jelitami i mózgiem.

Najpierw użyli włókien do dostarczenia stymulacji optogenetycznej do brzusznego obszaru nakrywki (VTA) mózgu, który uwalnia dopaminę. Umieścili myszy w klatce z trzema komorami, a kiedy myszy weszły do ​​jednej konkretnej komory, naukowcy aktywowali neurony dopaminergiczne. Wynikający z tego wyrzut dopaminy zwiększał prawdopodobieństwo powrotu myszy do tej komory w poszukiwaniu dopaminy.

Następnie naukowcy próbowali sprawdzić, czy mogą również wywołać to poszukiwanie nagrody, wpływając na jelita. Aby to zrobić, użyli włókien w jelitach do uwolnienia sacharozy, która również aktywowała uwalnianie dopaminy w mózgu i skłoniła zwierzęta do poszukiwania komory, w której znajdowały się, gdy dostarczano sacharozę.

Następnie naukowcy odkryli, że mogą wywoływać te same zachowania związane z poszukiwaniem nagrody, pomijając sacharozę i optogenetycznie stymulując zakończenia nerwowe w jelitach, które dostarczają danych wejściowych do nerwu błędnego, który kontroluje trawienie i inne funkcje organizmu.

„Znowu mamy to zachowanie preferencji miejsca, które ludzie widzieli wcześniej ze stymulacją w mózgu, ale teraz nie dotykamy mózgu. Po prostu stymulujemy jelita i obserwujemy kontrolę centralnej funkcji z peryferii” – mówi Anikeeva.

Naukowcy odkryli, że urządzenia mogą optogenetycznie stymulować komórki wytwarzające cholecystokininę, hormon promujący uczucie sytości. Kiedy to uwalnianie hormonu zostało aktywowane, apetyt zwierząt został stłumiony, mimo że pościły przez kilka godzin. Naukowcy wykazali również podobny efekt, gdy stymulowali komórki wytwarzające peptyd o nazwie PYY, który zwykle ogranicza apetyt po spożyciu bardzo bogatych pokarmów.

Naukowcy planują wykorzystać ten interfejs do badania stanów neurologicznych, które, jak się uważa, mają połączenie jelitowo-mózgowe. Na przykład badania wykazały, że dzieci z autyzmem są znacznie bardziej narażone na zdiagnozowanie dysfunkcji przewodu pokarmowego niż ich rówieśnicy, podczas gdy lęk i zespół jelita drażliwego mają wspólne ryzyko genetyczne.

„Możemy teraz zacząć pytać, czy to zbiegi okoliczności, czy też istnieje związek między jelitami a mózgiem? I być może jest dla nas okazja, aby wykorzystać te obwody jelitowo-mózgowe, aby zacząć radzić sobie z niektórymi z tych stanów, manipulując obwodami obwodowymi w sposób, który nie „dotyka” bezpośrednio mózgu i jest mniej inwazyjny” – powiedziała Anikeeva.