211service.com
Et ultratyndt hjerneimplantat overvåger anfald
Et nyt, ultratyndt, ultrafleksibelt implantat fyldt med sensorer kan registrere den elektriske storm, der bryder ud i hjernen under et anfald med næsten 50 gange større opløsning, end det tidligere var muligt. Detaljeniveauet kan revolutionere epilepsibehandling ved at give mulighed for mindre invasive procedurer til at opdage og behandle anfald. Det kan også føre til en dybere forståelse af hjernens funktion og resultere i hjerne-computer-grænseflader med hidtil uset kapacitet.
Hjernekort: Et ultratyndt array af elektroder, vist øverst ved at blive indsat i hjernen på en kat, giver mulighed for dataindsamling langt større end nogensinde før muligt. I bunden er elektrodearrayet så fleksibelt, at det kan foldes rundt om selv de slankeste genstande, hvilket giver mulighed for nem indsættelse og god dækning af ujævne overflader.
For epilepsipatienter, som ikke reagerer på medicin, vil neurologer ofte forsøge at kortlægge, hvor i hjernen anfaldet stammer fra, så regionen kan fjernes kirurgisk. Lægen fjerner en del af kraniet og placerer et omfangsrigt sensorarray på overfladen af patientens frontale cortex.
Disse kliniske enheder har ikke ændret sig meget siden 50'erne eller 60'erne, siger Brian Litt , en epilepsispecialist og bioingeniør ved University of Pennsylvania og en af de videnskabsmænd, der ledede den nye forskning. Fordi enheden skal rumme ledninger til hver elektrode, har den kun plads til færre end 100 elektroder og giver et dårligt opløsningsbillede af den elektriske aktivitet. Det er som at prøve at forstå, hvad der foregår i en menneskemængde på Manhattan med en enkelt mikrofon ophængt i en helikopter, siger Litt.
Den nuværende teknologi er gået i stå ved et sensorarray med omkring otte sensorer pr. kvadratcentimeter; det nye array – bygget i samarbejde med John Rogers , en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Illinois Urbana-Champaign-kan passe 360 sensorer i den samme mængde plads. For at skabe en lille enhed så tæt pakket med sensorer integrerede Rogers elektronik og siliciumtransistorer i selve arrayet, hvilket drastisk reducerede mængden af ledninger.
Dette er mere som et array af 360 mikrofoner, sænket tættere på overfladen og optaget fra meget mindre områder: et par mennesker på gadehjørnet, et par ved postkassen, siger Litt. Denne nye teknik kan være nøglen til at forstå funktionelle netværk i hjernen og kan endda være nøglen til at behandle og potentielt helbrede nogle sygdomme.
I deres første test af enheden, på en kat med epilepsi, Litt, Rogers og kandidatstuderende Jonathan Viventi (nu en adjunkt, der studerer translationel neuroengineering ved New York University), så noget slående: en storm af aktivitet, der lignede en selvudbredende spiralbølge. Mønsteret, der kun er synligt ved optagelse i utrolig høj opløsning, ligner bemærkelsesværdigt et mønster, der ses i hjertemuskulaturen under en livstruende tilstand kaldet ventrikulær fibrillation.
I stedet for at store dele af hjernen er ansvarlige for anfald, noget Litt siger, man traditionelt har troet at forekomme, ser det ud til, at det i stedet stammer fra flere klynger af meget små områder eller mikrodomæner i cortex. Undersøgelsen blev offentliggjort online i sidste uge i Natur Neurovidenskab .
Ude af kontrol: Et epileptisk anfald hos en kat, målt med det nye elektrodetætte implantat, viser en aldrig før set spiralbølge af elektrisk aktivitet.
Det her er helt fantastisk. Jeg var forbløffet over den tekniske præstation og de meget stærke og vigtige resultater, siger Gerwin Schalk , en hjerne-computer grænsefladeforsker ved Wadsworth Center i Albany, New York. Schalk var ikke involveret i forskningen. Det vil være af enorm værdi for grundlæggende neurovidenskab og for translationel forskning. Schalk bemærker, at hvis teknologien viser sig i mennesker, kan den åbne op for betydelige muligheder for alt fra diagnostik til hjerne-computer interface-enheder.
Enheden kunne også muliggøre mindre invasiv testning og behandling. I stedet for at skære en stor del af kraniet op for at placere en overvågningsenhed, siger Litt, kunne det nye implantat gøre det muligt for kirurger at bore et lille hul igennem, hvorigennem det slanke, sammenrullede sensorarray kan glide og foldes ud på hjernens overflade. når den først er inde. Og i stedet for at fjerne områder af hjernen på størrelse med en golfbold, er det måske muligt bare at fjerne mikrodomænerne og lade resten af cortex være intakt.
Den nuværende version af enheden er en kvadratcentimeter; til menneskelig brug skal forskerne udvide det til omkring otte kvadratcentimeter. En startup kaldet MC10 vil arbejde på at gøre den større og produktionsklar.
Litt og Rogers arbejder nu på at skabe et implantat med stimulatorer indlejret ved siden af sensorerne. Hvis de kan bygge en enhed, der ikke kun registrerer begyndelsen af et anfald, men lige så hurtigt kan give elektrisk stimulation til at stoppe det, kan forskningen have stor klinisk effekt. Dette er ikke kun et forskningsværktøj. Det har en klart defineret brugsmåde i kliniske omgivelser, siger Rogers. Dette er et stykke biointegreret elektronik, der er uovertruffen i sin funktionalitet, og beviset ligger i buddingen.