Wyobraźcie sobie firmy farmaceutyczne za 20 lub 30 lat. Nie będą już wyłącznie produkowały tradycyjnych leków czy szczepionek, a stworzą ogromne działy bioelektroniki. Schorzenia neurologiczne – od udaru i padaczki po depresję – będą leczone za pomocą niewielkich implantów wszczepianych prosto do mózgu. Nawet z cukrzycą oraz otyłością będzie się walczyło w sposób, który dziś brzmi jak czyste science fiction: za pomocą sygnałów elektrycznych wysyłanych do chorych komórek.

Autorem tej śmiałej wizji jest jeden z najpotężniejszych przedstawicieli branży farmaceutycznej – Moncef Slaoui, szef działu badań i rozwoju brytyjskiego koncernu GlaxoSmithKline. – Dziś każda firma farmaceutyczna bądź biotechnologiczna produkuje chemiczne lub biologiczne molekuły, które oddziałują na konkretne struktury biochemiczne ludzkiego ciała, np. białka. Nikt jeszcze nie tworzy leków oddziałujących na sygnały elektryczne, które są innym środkiem przekazywania informacji w naszym ciele – mówi Slaoui.

I dąży do tego, by bioelektronika stała się głównym punktem planu długoterminowego rozwoju GSK. Zyskał już nawet poparcie szefa koncernu. – Nauki, na których opiera się bioelektronika, rozwijają się w zdumiewająco szybkim tempie w ośrodkach na całym świecie, ale te wysiłki są rozproszone. Trzeba zintegrować prace nad rozwojem interfejsów mózg – komputer, nanotechnologią, badaniami materiałowymi, mikroenergetyką do stworzenia nowych metod terapii – przekonuje.

Robot sterowany myślami

Na razie badania nad bioelektryką odbywają się w kilku ośrodkach akademickich, a ich stopień komercjalizacji jest niewielki. Dziś komputery potrafią odczytać zaledwie niewielką część aktywności elektrycznej w ludzkim mózgu. Mimo to ostatnie eksperymenty przyniosły kilka spektakularnych wyników.

Naukowcy z amerykańskiego Uniwersytetu Browna, kierowani przez Johna Donoghue’a oraz Leigha Hochberga, przeprowadzili test systemu BrainGate. 58-letnia całkowicie sparaliżowana pacjentka za pomocą myśli sterowała robotem: kierowane siłą jej woli mechaniczne ramię podniosło butelką z wodą ze stolika i przyłożyło do jej ust. Po raz pierwszy od 15 lat samodzielnie napiła się wody. BrainGate to sensor wielkości niewielkiej pastylki ze 100 cienkimi elektrodami, które umieszcza się w korze ruchowej – części mózgu odpowiadającej za poruszanie. Sensor jest połączony z zewnętrznym komputerem, który przetwarza aktywność elektryczną mózgu w komendy dla robota.

Inny sparaliżowany pacjent, który brał udział w tym eksperymencie BrainGate, mówi, że do sterowania maszyną nie potrzeba wielkiej koncentracji. – Po prostu wyobraziłem sobie ruch własnej ręki, a ramię robota przemieściło się tam, gdzie chciałem – opowiada.

Jednak rynek robotów osobistych czy zrobotyzowanych protez dla osób sparaliżowanych nigdy nie będzie masowy. Dlatego badacze pracują nad BrainGate 2. W nim sygnały z mózgu będą przesyłane do urządzenia FES – Funkcjonalnej Stymulacji Elektrycznej, które pozwoli obejść uszkodzony fragment nerwu blokojący przesyłanie neurosygnałów i wywoływać skurcz mięśni. – Chcemy sprawić, by osoby sparaliżowane mogły chodzić jak zdrowy człowiek – mówi prof. Donoghue.

Jednak w wielu przypadkach inwazyjne metody w rodzaju BrainGate nie mogą być stosowane. Dlatego inni badacze pracują nad elektroencefalografią (EEG), która wykrywa bioelektryczną aktywność mózgu za pomocą siatki elektrod umieszczanych na powierzchni skóry czaszki.

Na szwajcarskiej Politechnice Federalnej w Lozannie (EPFL) znajduje się jeden z najbardziej zaawansowanych na świecie komputerów z interfejsem mózg – komuter wykorzystującym EEG. – Udało się nam dowieść, że sparaliżowani pacjenci mogą poruszać dłońmi, myśląc o tym i wysyłając sygnał do FES – mówi prowadzący badania José Millan. Adrian Owen z Uniwersytetu Zachodniego Ontario w Kanadzie dzięki EEG udowodnił, że pacjenci z ciężkimi urazami mózgu – nawet ci znajdujący się w stanie wegetatywnym – wykazują cechy świadczące o pełnej świadomości. Np. kiedy badacze proszą ich o wyobrażenie poruszania ręką czy palcami stóp, ok. 20 proc. wykazuje identyczną aktywność mózgu, co zdrowi ludzi.

Teraz Owen pracuje nad zastosowaniem odkrycia w systemie, który umożliwi komunikację ze sparaliżowanymi pacjentami, którzy nie mogą dawać sygnałów nawet za pomocą mrugania. – Chcemy dojść do stanu, kiedy będą oni mogli układać słowa, przekształcając sygnały mózgu w litery, a my będziemy mogli odczytać to w czasie rzeczywistym – mówi.

Umożliwienie komunikacji ze światem zewnętrznym ludziom od niego odciętym lub postawienie na nogi sparaliżowanych to najbardziej jaskrawe przykłady zastosowania bioelektroniki. Tymczasem leczenie mniej poważnych urazów i chorób mózgu to znacznie większy rynek.

Jednym z kuszących celów jest padaczka. To jedna z najbardziej rozpowszechnionych chorób neurologicznych, którą jest dotkniętych ok. 50 mln osób na całym świecie. Leczenie farmakologiczne przynosi dość ograniczone efekty. Być może już niedługo to się zmieni, bo kilku amerykańskich naukowców wykorzystuje bioelektronikę do wykrycia epicentrum choroby w mózgu i dróg rozprzestrzeniania się nieprawidłowych sygnałów.

Efektem ich pracy jest urządzenie wykonane z elastycznych przewodów silikonowych, tzw. inteligentna skóra, które można układać zgodnie ze zwojami mózgu. Będzie ono wszczepiane pod czaszkę, układane na powierzchni mózgu, ale nie będzie ingerowało w szarą substancję. – Prowadzimy badania na zwierzętach, ale mamy nadzieję, że najdalej za rok zaczniemy testy kliniczne na ludziach – mówi prof. Jonathan Viventi z Uniwersytetu Nowojorskiego.

Nowy sposób na otyłość

W elektronice konsumenckiej trwają prace nad słuchawkami, które mają umożliwiać kierowanie komputerem, a także granie za pomocą myśli. Jednak neurolodzy mówią, że te urządzenia są po prostu zbyt prymitywne, by można je było zastosować w medycynie. – Jestem prześladowany przez ludzi, którzy twierdzą, że musimy korzystać z osiągnięć branży gier wideorozrywki. Te urządzenia są dla nas bezużyteczne, bo większość z nich nie rejestruje aktywności mózgu, tylko skurcze mięśni – opowiada prof. Owen.

Kilka małych firm zajmuje się kliniczną bioelektroniką, np. amerykańskie mc10 zajmuje się komercyjnym zastosowaniem inteligentnej skóry. Inne pracują w dwóch obszarach medycyny, które powstały niezależnie od reszty badań bioelektronicznych: implanty ślimakowe zamieniają dźwięki we wrażenia słuchowe u osób głuchych, zaś „głęboka stymulacja mózgu” zmniejsza drżenie kończyn u pacjentów z chorobą Parkinsona.

Jednak komercyjne zastosowanie bioelektroniki jest na razie ograniczone. – Jesteśmy w stadium, w którym dla dalszego rozwoju potrzebny jest udział przemysłu, współpraca naukowców i producentów. Potrzebujemy ogromnych środków, nie tylko pieniędzy – zaznacza prof. Donoghue. Choć badania bioelektroniczne skupiają się na mózgu, potencjalne zastosowanie metody jest znacznie szersze. – Przekazywanie sygnałów elektrycznych nie jest wyłączną domeną centralnego układu nerwowego. Możemy również wykorzystać sygnały w układzie obwodowym – mówi Moncef Slaoui. Co to oznacza? Można np. spróbować leczyć otyłość, wysyłając sygnały bez udziału mózgu prosto do komórek żołądka lub jelit, i tym samym zmniejszać apetyt pacjenta lub, jeśli komórki trzustki nie produkują wystarczająco dużo insuliny u chorych na cukrzycę, można stymulować inne komórki, które wykonają to zadanie.

– Największa zaleta bioelektryki polega na tym, że działa dokładnie w tym miejscu, w którym chcemy. Nawet najbardziej precyzyjnie skierowany lek wprowadza obcą substancję chemiczną do całego organizmu – podkreśla Slaoui. I dodaje, że jest przekonany, iz jesteśmy świadkami rewolucji podobnej do tej z przełomu XIX i XX wieku, kiedy firmy produkujące leki odkryły, że mogą tworzyć substancje dające skutki biologiczne.