211service.com
En bedre måde at sondere hjernen på
Polina Anikeeva, ph.d. ’09, udvikler materialer, der tilbyder lav-påvirkning eller endda trådløse forbindelser til nervesystemet, hvilket giver forskere mulighed for at stimulere og indsamle data fra individuelle hjerneceller. 21. april 2015
Hjernen beskrives ofte som den mest komplekse struktur, man kender: et væld af celler, forbundet til netværk og myldrer af elektrisk og kemisk aktivitet. Som materialeforsker ved Polina Anikeeva, PhD '09, også, at hjernen er langt mere blød og bøjelig end de apparater, vi bruger til at studere den. Det har faktisk de elastiske egenskaber af chokoladebudding, siger Anikeeva, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved MIT. Du kan ske med det, hvis du vil.
Men når forskere forsøger at udforske hjernen, er de typisk afhængige af stive og skarpe materialer, såsom siliciumprober og stålelektroder. Det giver omtrent lige så meget mening, siger hun, som at skære budding igennem med en kniv.
Med neurale implantater til mennesker, såsom apparater til dyb hjernestimulering, kan mismatchet have alvorlige konsekvenser. Stive elektroder kan skære gennem væv, hvis hjernen rykker. Celler fra immunsystemet og nærliggende væv myldrer ind og omgiver ethvert implantat med arvæv. Lignende problemer gælder for neurale grænseflader for rygmarven.
Anikeeva, der leder MIT's Bioelectronics Lab, udvikler bedre måder at interagere med hjernen og rygmarven på. Selvom hendes laboratorium er mindre end fire år gammelt, har fremtrædende tidsskrifter udgivet en række af hendes gruppes artikler, der demonstrerer nye teknologier, herunder tynde, fleksible polymerfiberprober til stimulering og registrering af aktivitet fra neuroner, såvel som magnetiske nanopartikler, der kan bruges til at stimulere dem uden nogen ledninger overhovedet. Målet er at sondere hjernen med en blødere berøring - og at gøre det præcist, samtidig med at flere funktioner integreres i én enhed.
Anikeevas arbejde gør allerede det muligt for andre forskere at udføre nye former for undersøgelser af hjernen og rygmarven. I sidste ende kunne de materialer, hun skaber, tilbyde en mindre invasiv måde at forbinde enheder til den menneskelige krop for at behandle neurologiske sygdomme eller genoprette bevægelse.
Videnskabsnørd
Jeg var i bund og grund en videnskabsnørd fra meget tidlige dage, siger Anikeeva. Hun voksede op i Sankt Petersborg, Rusland, datter af forældre, der begge uddannede sig til maskiningeniører. (Hendes mor hjalp med at designe atomubåde før Sovjetunionens sammenbrud.) Som 12-årig blev hun optaget på det prestigefyldte Fysisk-tekniske Gymnasium, som er tilknyttet Ioffe Fysisk-Tekniske Institut for Det Russiske Videnskabsakademi. Skolen har kun 180 elever og holder undervisning seks dage om ugen; dens formål er at pleje fremtidige forskere. Det er sværere at komme ind på, end det er at komme ind på MIT, siger hun.
Anikeeva studerede biofysik ved Saint Petersburg State Polytechnic University; på et udvekslingsprogram ved det schweiziske føderale teknologiske institut i Zürich lærte hun at analysere strukturen af proteiner ved hjælp af kernemagnetisk resonansspektroskopi. Efter endt uddannelse gennemførte hun et årelangt praktikophold ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico, hvor hun designede solceller fra halvleder-nanokrystaller kendt som kvanteprikker.
Da hun besøgte forskerskoler, skilte MIT sig ud for sine studerende lige så meget som dets fakultet. Jeg følte, at jeg på MIT ville være omgivet af virkelig talentfulde mennesker, som er fanatiske omkring deres arbejde, siger hun. Hun begyndte sin doktorgradsforskning i 2004 i laboratoriet hos Vladimir Bulović, dengang en lektor i elektroteknik og datalogi, som udviklede nye elektroniske og optiske enheder ved hjælp af nanoteknologi. Der var hun banebrydende for en teknik til at skabe LED'er ved at bruge kvanteprikker til at generere lys i forskellige farver.
Anikeeva nød at arbejde med nanomaterialer, men hun havde også en passion for biologi. Vi har så sofistikerede teknologier i vores mobiltelefoner – vi har disse smukke skærme, avancerede computermoduler, transistorer, kredsløb og så videre, siger hun. Hun ønskede at udnytte nogle af disse fremskridt for at forbedre teknologien til kroppen. Men før jeg arrogant ville gå hen og prøve at løse problemer, som jeg ikke vidste eksisterede, siger hun, besluttede jeg, at jeg faktisk skulle bruge noget tid i et biologisk miljø.
Anikeeva undersøger et parti fibre, der hver indeholder en enkelt elektrode. De vil blive arrangeret omkring hule rør og strakt til at danne 100 mikrometer brede neurale prober, der kan levere lægemidler og registrere information.
Den beslutning førte hende til Karl Deisseroths neurovidenskabelige laboratorium på Stanford University. Hans gruppe var midt i banebrydende arbejde med optogenetik, som bruger lys til at stimulere celler i dyrehjerner, der er blevet konstrueret til at inkludere lysaktiverede proteiner. Da jeg så, at de var ved at udvikle metoder til at styre hjernen optisk, blev jeg virkelig blæst bagover, siger hun. Det foreslog også en ny måde at anvende sine færdigheder på. Hjernen betyder aktionspotentialer og spændinger - jeg regnede med, at jeg som optoelektronikperson kan komme bagud med spænding, siger hun. Det er noget, jeg har en chance for at forstå.
Deisseroths gruppe havde brug for hardware til at sende lys ind i specifikke områder af musehjerner, mens de også tog elektriske optagelser fra de belyste celler. I løbet af en to-årig postdoc, der begyndte i 2009, udviklede Anikeeva en sonde, der var mere sofistikeret end den, de brugte; hendes version inkluderede flere elektroder langs den optiske fiber. Det var et vigtigt skridt i at få rige udlæsninger tilbage fra den fiberoptiske grænseflade, siger Deisseroth.
Oplevelsen lærte Anikeeva at lave eksperimenter og arbejde med dyr - og det gav hende problemer at løse. Efter at have modtaget denne mere grundlæggende neurobiologiske træning fik mig til at tænke på de værktøjer, vi brugte, siger hun. Disse teknologier er egentlig ret primitive. De var for store og for omfangsrige og havde ikke nok kapacitet. Biologerne Anikeeva arbejdede med manipulerede individuelle ledninger under mikroskoper, langt fra sofistikerede fremstillingsteknikker, der bruges i elektronikindustrien.
Jeg følte, at vi burde kunne gøre det bedre, siger hun. Og da hun blev tilbudt en fakultetsstilling på MIT, blev den præmis grundlaget for hendes eget laboratorium. I sit nuværende arbejde bringer Anikeeva sin ekspertise inden for materialevidenskab til at påvirke neurovidenskab. Hun er utrolig dygtig, uanset hvad hun lægger hænderne på, siger Bulović, nu professor i emerging technology, School of Engineerings associerede dekan for innovation og meddirektør for MIT Innovation Initiative. Hun tog alle disse erfaringer, hun tilegnede sig … og erkendte, at hun kunne sætte dem sammen i en sammenhængende helhed.
En bedre hammer
I et kælderlaboratorium på MIT ser Andres Canales, SM '13, en ph.d.-studerende i Anikeevas gruppe, en fysisk transformation finde sted: en cylinder af polymerer og metal bliver langsomt smeltet og trukket ind i en lang, vermicelli-lignende ledning fra et højt tårn i det ene hjørne af rummet. En af grundene til, at Anikeeva var opsat på at vende tilbage til MIT, var at arbejde sammen med Yoel Fink, direktøren for Research Laboratory of Electronics og en førende innovatør inden for denne teknik med fibertegning, hvor materialer samles, opvarmes og trækkes som taffy til ultratynde fibre, der bevarer den oprindelige struktur og funktionalitet. Fink har delt med sit laboratorium både sin ekspertise og fiberspindetårnet, som tilbyder præcis kontrol og evnen til at reducere funktioner til et mikroskopisk niveau (se Demo).
Takket være dette samarbejde har hendes team inkorporeret optiske bølgeledere, elektroder og lægemiddelleveringskanaler i en enkelt fiber, der kan være så tynd som et menneskehår og fleksibel nok til at vikle sig om en finger. Og kritisk bliver disse enheder ikke afvist af kroppen.
Den slags evner kunne hjælpe neurovidenskabsmænd, der forsøger at udrede komplekse hjernefunktioner hos mus. Guoping Feng, professor i hjerne- og kognitiv videnskab ved MITs McGovern Institute, bruger Anikeevas sonder til at studere psykiatriske sygdomme som autisme og tvangslidelser. Hans arbejde involverer at se på kommunikationen mellem neuroner i hjernen og forholdet mellem gener, hjernekredsløb og adfærd. For at observere disse processer i levende dyr skal forskere være i stand til at manipulere specifikke kredsløb præcist og registrere aktivitet fra de manipulerede celler. Med en tynd, multifunktionel enhed, siger han, kan du have alle muligheder med minimal forstyrrelse eller skade på hjernevæv.
Apparaterne kan også bruges i rygmarven, hvilket er udfordrende at få adgang til og kræver en fleksibel anordning, fordi den ofte bevæger sig og strækker sig. Selvom elektrisk stimulering af rygmarven kan fremkalde bevægelse hos lammede dyr og er blevet brugt klinisk hos mennesker med beskedne resultater, siger Chet Moritz, professor i rehabiliteringsmedicin ved University of Washington i Seattle, at optisk stimulation kunne tillade mere præcis kontrol af specifikke celler. Elektrisk stimulation er en ret stor hammer, siger han. Med optogenetik kan du have ret høj tillid til, at du aktiverer et bestemt kredsløb.
Moritz arbejder på at stimulere den øvre rygmarv - i sidste ende for at genoprette bevægelser som at nå og gribe, hvilket kræver mere finesse end at gå. For at gøre det skal han målrette mod specifikke neuroner direkte. I samarbejde med Anikeeva tester han muligheden for at bruge lys til at stimulere rygmarven på rotter med et øje mod at genoplive lammede lemmer.
Trådløs hjernestimulering
I mellemtiden forfølger Anikeeva teknologier, der kan stimulere specifikke hjerneområder uden nogen ledninger overhovedet. I et nyligt papir i , demonstrerede hendes gruppe en teknik, der bruger magnetiske felter og injicerede nanopartikler til at aktivere celler dybt inde i musenes hjerner.
I denne proces opvarmes magnetiske nanopartikler ved hjælp af vekslende magnetfelter, som let passerer gennem hjernevæv uden at påvirke det. I årtier har forskere arbejdet på teknikker til at injicere magnetiske nanopartikler i tumorer og opvarme dem med magneter for at dræbe kræftcellerne. Men i stedet for at ødelægge celler, ønskede Anikeeva at skabe et hurtigt varmeudbrud, der ville få neuroner til at fyre.
Andre forskere har brugt en lignende tilgang til at stimulere celler, der er konstrueret til at udtrykke det varmefølsomme protein TRPV1. Men Anikeeva siger, at cellerne i disse undersøgelser reagerede for langsomt til den form for øjeblikkelig stimulering, hun ønsker at opnå.
Hendes team, ledet af kandidatstuderende Ritchie Chen, SM ’13, og Michael Christiansen, begyndte at modellere, hvordan magnetiske nanopartikler afleder varme. Partiklerne retter sig efter et magnetfelt og justerer sig igen, når dets retning ændres, og frigiver varme i processen. Modellerne viste, at denne effekt var mere potent, hvis størrelsen og formen af partiklerne matchede magnetfeltets egenskaber. Ved at skræddersy designet af både magnetspolerne og nanopartiklerne var forskerne i stand til at producere mere varme hurtigere.
Partiklerne er lavet af jernoxid (almindeligvis brugt som kontrastmiddel i MRI'er) og belagt med polymerer for at forhindre kroppens immunsystem i at piske dem væk. Anikeevas team brugte en virus til at levere genet for TRPV1 ind i celler i en specifik del af hjernen hos mus. Derefter injicerede de den samme region med nanopartiklerne. Under magnetfeltet blev partiklerne varmet op, hvilket fik de modificerede neuroner til at fyre.
Anikeeva undersøger nu, om variation af magnetfelterne og sammensætningen af partiklerne kan gøre det muligt at målrette mod flere celletyper eller hjernekredsløb. Og mens denne undersøgelse brugte gensplejsning til at få et varmefølsomt protein ind i museceller, siger hun, at TRPV1 er udbredt i den menneskelige hjerne, så sådan manipulation er muligvis ikke nødvendig for at bruge teknikken hos mennesker.
Denne demonstration, selvom den er foreløbig, peger mod en meget mindre invasiv måde at stimulere celler dybt inde i hjernen. I øjeblikket skal patienter, der får dyb hjernestimulering for tilstande som Parkinsons sygdom, opereres for at implantere elektroder, der er forbundet til et eksternt batteri. Disse mus fik en simpel injektion, og de magnetiske nanopartikler forblev aktive en måned senere. En dag, forestiller hun sig, kunne patienter modtage et magnetisk lægemiddel og tilbringe en foreskreven mængde tid hver dag i nærheden af en magnetisk enhed.
Anikeevas gruppe forfiner disse teknologier og søger samarbejdspartnere, der vil sætte dem på prøve. Hun forestiller sig at bruge bløde polymerprober til præcist at kortlægge hjernen eller til at levere et lægemiddel eller optisk stimulering og derefter overvåge dets effekt på celleaktivitet.
Hun er også meget interesseret i at bruge teknologierne som neurale grænseflader til at behandle lammende skader. Da en ven fik en alvorlig rygmarvsskade, mens hun klatrede, blev Anikeeva ramt af den primitive teknologi til genoptræning og genoprettelse af bevægelse. Det påvirkede mit forskningsprogram på meget dybtgående måder, siger hun.
Anikeeva er selv entusiastisk klatrer og distanceløber, og hun er især interesseret i bevægelse, fordi hun finder det afgørende for sin egen tænkning. Klatring er en stor, definerende del af mit liv, siger hun, og hun træner ofte problemer, mens hun løber i to eller tre timer ad gangen. Jeg træner aldrig med musik, siger hun. I bund og grund er det mig mod min hjerne.