Nowe badania przeprowadzone we współpracy naukowców ICTER ujawniają, jak bardzo różnią się odpowiedzi mózgu na bodźce świetlne i elektryczne. Odkrycia te mogą przyczynić się do rozwoju bardziej precyzyjnych terapii przywracających wzrok, w tym terapii z użyciem przezrogówkowej stymulacji elektrycznej (tACS).
Czy oko można „oszukać” prądem elektrycznym, by mózg zareagował tak, jakby widział światło? Czy impulsy elektryczne mogą rzeczywiście pobudzić układ wzrokowy w sposób porównywalny do naturalnej stymulacji wizualnej? To pytania, które od lat towarzyszą rozwojowi technik neurostymulacyjnych stosowanych w leczeniu chorób oczu. Teraz, dzięki badaniom przeprowadzonym przez zespół naukowców z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) oraz Instytutu Nenckiego, udało się po raz pierwszy tak dokładnie porównać fizjologiczne reakcje mózgu na stymulację świetlną i elektryczną – i to z dokładnością do warstw poszczególnych struktur układu wzrokowego.
Badania, których wyniki opublikowano na łamach czasopisma „Investigative Ophthalmology & Visual Science” (DOI: 10.1167/iovs.66.5.1), prowadził zespół w składzie: dr Katarzyna Kordecka i dr hab. Andrzej T. Foik z ICTER oraz dr Ewa Kublik z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego. Projekt został zrealizowany w ramach międzynarodowego przedsięwzięcia TRIO-Vi CoE finansowanego przez Komisję Europejską (program Teaming for Excellence), Fundację na rzecz Nauki Polskiej oraz Narodowe Centrum Nauki.
– Dotąd wiele mówiło się o tym, że stymulacja prądem może wspomagać widzenie, ale brakowało konkretnych danych pokazujących, co tak naprawdę dzieje się w mózgu. Nasze badanie daje pierwszy tak dokładny obraz tego, jak układ wzrokowy reaguje na impulsy elektryczne – i pokazuje, że nie są to przypadkowe odpowiedzi, tylko spójne i powtarzalne wzorce aktywności – mówi dr Katarzyna Kordecka z ICTER.
Jak wyglądał eksperyment?
Celem badania było uzyskanie dogłębnego wglądu w to, jak układ wzrokowy reaguje na dwa odmienne typy stymulacji: wywołaną światłem oraz generowaną przez prąd elektryczny przepływający przez rogówkę oka. Naukowcy skonstruowali doświadczalny model porównawczy, pozwalający zarejestrować i zestawić odpowiedzi neuronowe wywoływane bodźcami wizualnymi (VEP) i elektrycznymi (EEP) w obrębie dwóch struktur anatomicznych istotnych dla przetwarzania wzroku: wzgórka czworaczego górnego (superior colliculus, SC) i pierwszorzędowej kory wzrokowej (V1).
Eksperyment przeprowadzono na dorosłych szczurach Wistar, pochodzących z Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku, utrzymywanych w ściśle kontrolowanych warunkach w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. Nenckiego. Zastosowano nowoczesne mikroelektrody wielokanałowe, umożliwiające jednoczesne rejestrowanie sygnałów z różnych warstw neuronowych. Dla wzgórka czworaczego górnego analizowano warstwę szarą powierzchniową (SGS) i warstwę wzrokową (SO), a dla kory wzrokowej – warstwy nadziarniste i podziarniste. Dzięki zastosowaniu zaawansowanej analizy gęstości źródeł prądowych (CSD), naukowcy mogli śledzić przepływ prądu w mózgu z dużą precyzją przestrzenną i czasową.
Stymulację elektryczną przeprowadzano w dwóch konfiguracjach: z elektrodami umieszczonymi na obu oczach (oko-oko, E-E) oraz na oku i szyi (oko-szyja, E-N). W każdej konfiguracji stosowano sześć rodzajów impulsów: prostokątne dwufazowe (rozpoczynające się dodatnio lub ujemnie), jednofazowe dodatnie i ujemne, oraz sinusoidalne impulsy dodatnie i ujemne. Każdy typ bodźca był powtarzany 300 razy z losowymi przerwami między impulsami, a wszystkie sygnały rejestrowano równolegle z użyciem systemu CED Power 1401 i oprogramowania Spike2.
Wszystkie zebrane dane zostały poddane standaryzacji i analizie porównawczej, przy czym do oceny podobieństwa przebiegów EEP i VEP zastosowano m.in. współczynnik determinacji R2 oraz analizę latencji i amplitudy pików odpowiedzi. Pozwoliło to nie tylko porównać siłę i dynamikę reakcji, ale także ich kształt, rozkład przestrzenny oraz powtarzalność. Wreszcie, by zweryfikować, czy elektrody znajdowały się dokładnie w planowanych lokalizacjach, po zakończeniu doświadczenia przeprowadzono sekcję i analizę histologiczną mózgów z użyciem barwienia Nissla oraz znacznika DiI, co pozwoliło zrekonstruować ścieżki elektrod i potwierdzić wiarygodność lokalizacji rejestracji.
Mózg reaguje na światło i prąd inaczej, ale równie silnie
Jednym z najciekawszych odkryć była obserwacja, że impulsy elektryczne wywoływały reakcje o podobnej amplitudzie co impulsy świetlne, ale charakteryzowały się znacznie krótszym opóźnieniem czasowym. Wynika to z faktu, że stymulacja prądem omija fototransdukcję w pręcikach i czopkach, aktywując bezpośrednio komórki zwojowe siatkówki, które wysyłają sygnał wprost do struktur podkorowych i kory wzrokowej.
Choć odpowiedzi elektryczne były silne i szybkie, ich kształt znacznie różnił się od sygnałów wywołanych światłem. Tylko w konfiguracji E-E (oko-oko), odpowiedzi EEP wykazywały częściowe podobieństwo do VEP, co sugeruje, że sposób umieszczenia elektrod ma fundamentalne znaczenie dla przestrzennego i funkcjonalnego rozkładu aktywacji mózgu. Największe podobieństwo odpowiedzi elektrycznych do świetlnych obserwowano w głębokich warstwach kory wzrokowej, co wskazuje, że właśnie te obszary mogą najlepiej odtwarzać „naturalny” tor przetwarzania sygnału.
Współczynnik determinacji R2 wykazał, że w większości przypadków fale wywołane stymulacją elektryczną są tylko częściowo podobne do tych wywoływanych przez światło – co nie musi być wadą. W kontekście terapii, nie zawsze celem jest idealne odtworzenie fizjologii widzenia, ale raczej skuteczna aktywacja odpowiednich struktur z zachowaniem bezpieczeństwa i powtarzalności.
Autorzy badania podkreślają, że ich celem nie było stworzenie substytutu widzenia, lecz zrozumienie podstawowych mechanizmów fizjologicznych aktywacji mózgu przy użyciu prądu elektrycznego. Choć wcześniejsze badania kliniczne sugerowały, że przezrogówkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) może poprawiać funkcje wzrokowe u pacjentów z jaskrą, retinopatią barwnikową czy uszkodzeniem nerwu wzrokowego, nie było jasne, jak dokładnie działa ta stymulacja na poziomie struktur mózgowych.
Wyniki obecnych badań wypełniają tę lukę. Pokazują, że nawet pojedyncze impulsy elektryczne – o odpowiednio dobranym kształcie i kierunku przepływu – są w stanie aktywować wzgórek czworaczy górny i korę wzrokową w sposób powtarzalny i o określonej dynamice. Prąd wpływa nie tylko na siatkówkę, ale także indukuje odpowiedzi w strukturach centralnych, co może mieć ogromne znaczenie w projektowaniu spersonalizowanych terapii neurostymulacyjnych.
Impuls z potencjałem terapeutycznym
Zrozumienie, jak elektryczność oddziałuje na różne warstwy układu wzrokowego, otwiera nowe możliwości w neurorehabilitacji. Wiedza ta może zostać wykorzystana nie tylko w leczeniu schorzeń siatkówki, ale także w przypadku uszkodzeń kory wzrokowej czy szlaków wzrokowych powstałych w wyniku udaru, urazu lub chorób neurodegeneracyjnych.
Stymulacja prądem – prowadzona w sposób precyzyjny, oparty na wiedzy o fizjologii mózgu – może wspierać neuroplastyczność, poprawiać ukrwienie siatkówki, zwiększać poziom neurotroficznych czynników wzrostu, a nawet przywracać połączenia neuronowe. Ale aby to było możliwe, trzeba wiedzieć, które impulsy działają, jak działają i gdzie działają – i właśnie temu służy opisana praca.
– Nasze badania pokazują, że mózg potrafi przyjąć informacje wzrokowe nie tylko przez światło. Właściwie dobrany impuls elektryczny może aktywować te same obszary w sposób przewidywalny i precyzyjny. To fundament pod przyszłe terapie neuromodulacyjne przywracające funkcje wzrokowe – wyjaśnia dr hab. Andrzej T. Foik, Lider Grupy Obi w ICTER.
W przyszłości tego typu eksperymenty mogą stać się fundamentem dla rozwoju inteligentnych urządzeń terapeutycznych – implantów, okularów neurostymulacyjnych lub personalizowanych terapii neuromodulacyjnych, które będą nie tylko skuteczne, ale i precyzyjne.
Źródło: ICTER, fot. PixaHive/ CC0