Cip Otak Wayarles KAIST Mengesan Respons terhadap Ubat Alzheimer dalam Babi Mini

Bahan kimia otak dijejaki semasa ubat mula bertindak

Cip wayarles yang ditanam dalam korteks prefrontal babi mini telah mengesan peningkatan bahan kimia yang terlibat dalam ingatan selepas haiwan itu menerima donepezil, ubat yang digunakan untuk merawat penyakit Alzheimer. Isyarat itu kemudian beransur-ansur kembali ke paras asal, memberikan penyelidik gambaran berterusan tentang tindak balas kimia otak terhadap ubat tersebut.

Penyelidikan yang diketuai Profesor Kyung-In Jang dari Jabatan Kejuruteraan Mekanikal KAIST itu menggabungkan sensor asetilkolina, sumber cahaya kecil dan elektronik pengukuran wayarles. Tujuannya adalah untuk membantu saintis menjejaki perubahan dalam kawasan otak tertentu ketika perubahan itu berlaku, berbanding menunggu sampel diambil kemudian atau menilai ubat terutamanya berdasarkan perubahan tingkah laku.

Penemuan itu diterbitkan pada 14 Oktober 2026 dalam Device, jurnal terbitan Cell Press. KAIST mengumumkan kajian itu pada 27 Oktober. Rakan usaha sama termasuk Institut Sains dan Teknologi Daegu Gyeongbuk (DGIST), Institut Penyelidikan Otak Korea (KBRI) dan Institut Penyelidikan Biosains dan Bioteknologi Korea (KRIBB).

Eksperimen itu mengukur tindak balas kimia dalam otak haiwan. Penilaian manfaat kepada pesakit memerlukan penyelidikan lanjut, termasuk ujian untuk menentukan sama ada implan boleh kekal selamat dan terus menghasilkan pengukuran yang boleh dipercayai dalam tempoh panjang.

Mengapa penyelidik menjejaki asetilkolina

Asetilkolina ialah neurotransmiter, iaitu utusan kimia yang membawa maklumat antara sel saraf. Bahan ini membantu menyokong pembelajaran dan ingatan, menjadikannya sasaran berguna bagi penyelidik yang mengkaji kesan ubat terhadap fungsi tersebut.

Donepezil bertindak pada asetilkolinesterase, enzim yang menguraikan asetilkolina. Dengan menyekat enzim itu, ubat tersebut membolehkan utusan berkenaan kekal aktif lebih lama. Menjejaki asetilkolina selepas dos diberikan memberi penyelidik cara untuk memerhatikan sebahagian daripada proses itu di dalam otak.

Pasukan itu memilih korteks prefrontal, kawasan yang terlibat dalam pertimbangan, perhatian dan ingatan. Selepas menanam cip dan memberikan donepezil, penyelidik merekodkan peningkatan isyarat asetilkolina yang kemudian beransur-ansur kembali ke paras asas, iaitu paras yang direkodkan sebelum rawatan.

Perubahan isyarat itu berguna kerana tindakan ubat berlaku mengikut masa. Pengukuran pada satu-satu ketika boleh menangkap peningkatan atau pemulihan, manakala rakaman berterusan dapat menunjukkan bagaimana peringkat-peringkat itu berlaku secara berturutan.

Perubahan hasil pengukuran wayarles berterusan

Penyelidik sering menilai ubat untuk penyakit otak melalui ujian ingatan, tingkah laku atau pengimejan. Kaedah-kaedah itu menjawab soalan yang berbeza daripada sensor yang diletakkan terus di kawasan otak: kaedah tersebut boleh menjejaki prestasi atau aktiviti yang lebih luas, manakala cip itu menjejaki tindak balas kimia tertentu di lokasi implan.

Persampelan terus cecair dari otak boleh mengambil masa beberapa minit atau lebih bagi setiap sampel. Peranti baharu itu digunakan untuk menjejaki perubahan dari saat ke saat, sekali gus memberikan rekod yang lebih terperinci bagi isyarat yang berubah dalam tempoh singkat.

Litar kecil memproses pengukuran dan menghantarnya melalui Bluetooth ke peranti luaran. Ini membolehkan penyelidik menerima bacaan tanpa kabel data yang menambat haiwan pada peralatan rakaman.

Babi mini digunakan kerana saiz dan struktur otaknya lebih hampir kepada otak manusia berbanding otak rodensia. KRIBB membekalkan haiwan itu dan menyokong prosedur pembedahan, termasuk menyediakan kemudahan serta kepakaran yang diperlukan bagi bahagian kajian ini.

Bagaimana cip menukar tindak balas kimia kepada isyarat yang boleh dibaca

Asetilkolina perlu ditukar kepada sesuatu yang boleh diukur oleh elektronik cip. Sensor itu menggunakan enzim untuk mencetuskan tindak balas kimia yang menghasilkan hidrogen peroksida. Elektrod kemudian menukar hasil tindak balas itu kepada arus elektrik.

Lapisan pengesan itu menggabungkan kitosan berliang dengan nanowayar perak dan platinum yang amat nipis. Kitosan ialah bahan yang boleh diperoleh daripada cangkerang krustasea seperti udang dan ketam. Banyak liang kecilnya menyediakan permukaan luas untuk enzim pengesan melekat.

Nanowayar membantu menukar hidrogen peroksida yang terhasil semasa tindak balas kepada isyarat elektrik. Gabungan bahan berliang dan wayar pengalir itu menghubungkan peristiwa kimia dalam otak dengan pengukuran yang boleh direkodkan oleh peralatan elektronik.

Molekul lain dalam otak juga boleh menghasilkan isyarat pada elektrod. Untuk mengurangkan gangguan itu, prob nipis tersebut mempunyai elektrod bersalut enzim pada satu sisi dan elektrod tanpa enzim pada sisi yang lain.

Sistem itu membandingkan kedua-dua bacaan dan menolak isyarat yang sama dalam kedua-duanya. Ini membantu membezakan perubahan yang berkaitan dengan asetilkolina daripada aktiviti kimia latar belakang. Pengukuran yang terhasil melalui litar kecil sebelum dihantar ke luar tubuh haiwan.

Eksperimen berasingan pada tikus menguji rangsangan cahaya

Cip itu turut mengandungi diod pemancar cahaya mikro, atau mikro-LED, yang boleh menyalurkan cahaya ke dalam otak. Penyelidik menguji komponen ini dalam eksperimen berasingan yang melibatkan tikus transgenik, dengan KBRI menyokong pembedahan dan eksperimen tersebut.

Tikus ini mempunyai sel saraf yang direka bentuk untuk bertindak balas terhadap cahaya. Teknik yang dipanggil optogenetik itu membolehkan saintis mengaktifkan sel terpilih menggunakan cahaya, dan bukan bergantung pada rangsangan elektrik semata-mata.

Apabila penyelidik menghidupkan sumber cahaya pada cip, mereka merekodkan peningkatan isyarat asetilkolina. Ini menunjukkan bahawa peranti yang sama boleh memberikan rangsangan dan mengesan tindak balas kimia yang berkaitan.

Oleh itu, kajian ini melibatkan dua langkah eksperimen yang berbeza: menjejaki tindak balas terhadap donepezil dalam babi mini, dan menjejaki tindak balas terhadap cahaya dalam tikus yang diubah suai secara genetik. Setiap langkah menguji fungsi peranti gabungan yang berbeza.

Bolehkah pengukuran otak memandu rangsangan seterusnya?

Jang dan rakan-rakannya melihat gabungan pengesanan dan rangsangan sebagai titik permulaan bagi antara muka saraf gelung tertutup. Ringkasnya, sistem itu mengukur tindak balas dan menggunakan hasilnya untuk menentukan tindakan seterusnya.

Versi pada masa depan boleh mengesan perubahan kimia selepas rangsangan, kemudian melaraskan masa atau kekuatan rangsangan seterusnya. Penyepaduan sensor dan sumber cahaya dalam satu peranti menyediakan cara untuk mengkaji proses itu.

Jang, profesor KAIST yang mengetuai penyelidikan dan bertindak sebagai penulis koresponden makalah itu, menjelaskan matlamat tersebut:

Kajian ini menyediakan asas bagi teknologi yang memantau perubahan dalam otak dan melaraskan rangsangan berdasarkan tindak balasnya,

Kajian semasa menyediakan asas eksperimen bagi pendekatan itu. Pembangunan sistem yang boleh memilih dan memberikan rangsangan secara konsisten sebagai tindak balas kepada isyarat otak yang berubah memerlukan ujian lanjut.

Bagaimana peranti itu boleh membantu penyelidikan ubat

Penyelidik boleh menggunakan rakaman asetilkolina berterusan untuk membandingkan kesan dos ubat yang berbeza atau sela masa yang berbeza antara dos. Daripada hanya merekodkan sama ada isyarat meningkat, mereka boleh meneliti bila isyarat itu meningkat, bagaimana ia berubah dan bila ia kembali menghampiri paras asal.

Pengukuran itu boleh membantu menghubungkan jadual rawatan dengan tindak balas kimia di kawasan otak yang dipilih. Pengukuran tersebut juga boleh dipertimbangkan bersama ujian tingkah laku dan pengukuran lain apabila penyelidik mengkaji cara sesuatu ubat bertindak.

Penyelidikan itu meninggalkan beberapa persoalan praktikal untuk pembangunan masa depan, termasuk keselamatan sepanjang tempoh implan yang lama dan kestabilan bacaan dari semasa ke semasa. Bagi saintis yang membandingkan eksperimen yang dijalankan dalam jarak beberapa hari atau minggu, sensor perlu terus mengukur secara konsisten supaya perbandingan itu berguna.

Bagi penghidap penyakit Alzheimer, perkembangan ini buat masa ini ialah alat penyelidikan. Penggunaan pada manusia memerlukan pengesahan lanjut, dan tiada tarikh bagi ujian klinikal pada manusia diumumkan.

Penerbitan, kerjasama dan pengkomersialan

Kajian ini menghimpunkan kejuruteraan, pengesanan kimia dan eksperimen haiwan di empat institusi Korea Selatan. Penyelidik DGIST Son Ji-eun, Oh Se-hyeok dan Ha Jeong-dae ialah penulis bersama pertama, manakala Jang ialah penulis koresponden yang bertanggungjawab mengurus komunikasi tentang makalah itu.

Penerbitan dan pengumuman kajian itu mengikut jadual berikut:

• 14 Oktober 2026: Device menerbitkan kajian tentang cip boleh implan itu dan eksperimen haiwannya.
• 27 Oktober 2026: KAIST mengumumkan penyelidikan tersebut dan rancangan untuk pembangunan lanjut.

Makalah itu bertajuk "Implantable neural chip with electrochemical sensing and optogenetic stimulation for monitoring of cholinergic pharmacological responses." DOI-nya ialah 10.1016/j.device.2026.101329. Dalam tajuk itu, pengesanan elektrokimia merujuk kepada penukaran tindak balas kimia kepada pengukuran elektrik, manakala kolinergik merujuk kepada isyarat yang melibatkan asetilkolina.

Pasukan itu merancang untuk meneruskan pengkomersialan melalui N-Side Inc., syarikat pemula yang diasaskan oleh ahli fakulti dan diterajui Jang. Usaha menukar peranti eksperimen itu menjadi produk penyelidikan yang boleh diharap memerlukan perhatian terhadap isu yang sama pentingnya dalam makmal: implan yang selamat dan pengukuran yang kekal boleh dipercayai.

Perkara Utama

• Pasukan diketuai KAIST menggunakan cip wayarles boleh implan untuk menjejaki isyarat asetilkolina selepas memberikan donepezil kepada babi mini.
• Isyarat itu meningkat selepas rawatan dan kemudian beransur-ansur kembali ke paras asal.
• Peranti itu menggabungkan pengesanan kimia, sumber cahaya kecil dan penghantaran Bluetooth.
• Eksperimen berasingan pada tikus yang diubah suai secara genetik merekodkan peningkatan isyarat asetilkolina selepas rangsangan cahaya.
• Kegunaan berpotensi termasuk membandingkan tindak balas terhadap ubat dan membangunkan rangsangan yang dilaraskan berdasarkan aktiviti otak yang diukur.
• Ujian lanjut perlu menilai keselamatan implan berpanjangan dan kestabilan pengukuran sebelum penggunaan pada manusia.