211service.com
Små elektroder til hjernen
En ny type polymer nanoelektrode kunne gøre hjerneimplantater, inklusive dem, der bruges til at behandle alvorlige tilfælde af Parkinsons, langt sikrere, og den kan også gøre forsøg på at genoprette syn og bevægelse med direkte hjerne-maskine-grænseflader mere gennemførlige. Rodolfo Llinas , professor i neurovidenskab ved New York University, og forskere ved MIT har udviklet en nanotrådselektrode på kun 600 nanometer bred, der kan sende og modtage signaler til hjernen.
NYU og MIT forskere har udviklet en fleksibel elektrode, der kan sende eller modtage signaler fra hjerneceller. Elektroden kan indsættes i hjernen gennem blodkar, hvilket eliminerer behovet for at åbne en patients kranie for nogle neurologiske behandlinger. (Med tilladelse fra Zina Deretsky, National Science Foundation.)
Elektroden udviklet af Llinas og kolleger er så lille, at den kan indsættes gennem en arterie, måske i armen eller lysken, og føres op til hjernen. Fordi elektroden er en lille brøkdel af størrelsen af en rød blodcelle og fleksibel, kan den snoes gennem de mindste blodkar og komme tæt nok på neuroner dybt inde i hjernen til at detektere og levere elektriske signaler.
[Klik her for billeder af elektroden i blodkar.]
En aktuel behandling for alvorlige tilfælde af Parkinsons, kaldet dyb hjernestimulation, involverer implantering af elektroder, der afgiver højfrekvente elektriske impulser, som lukker ned for dele af hjernen, der er ansvarlige for sygdommens symptomer (se hjernepacemakere). Sådanne behandlinger er imidlertid risikable og dyre, til dels fordi de kræver, at en patients kranie åbnes for kirurgisk at indsætte elektroder i hjernevæv.
De konventionelle elektroder, som nu måler i millimeter, kan også beskadige blodkar i hjernen, siger Joseph Pancrazio, programdirektør for neurale ingeniørprojekter ved National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), et af National Institutes of Health. Ved at udnytte nanodimensionerne til at føre elektroderne gennem vaskulaturen, kan du reducere risikoen for slagtilfælde, siger han. Dette er en helt ude af boksen måde at tænke på at aktivere dyb-hjerne-stimulering. Jeg tror, der kan være gevinster i form af sikkerhed, effektivitet, robusthed og biokompatibilitet. Det er bestemt et område, vi skal se seriøst på.
Ikke at skulle åbne kraniet ville være en klar fordel i forhold til det, vi nu gør, siger Jeff Bronstein , neurolog ved UCLA Medical School, som siger, at tusindvis af Parkinsons patienter har gennemgået de dybe hjernestimuleringsprocedurer.
John Heiss, en neurokirurg ved NINDS, advarer om, at det først vil være nødvendigt at påvise, at nanotrådene ikke forårsager komplikationer, såsom blodpropper. Han bemærker også, at selv om hovedet ikke skulle åbnes, ville en sådan procedure stadig kræve en vis invasiv kirurgi. Heiss siger dog, at hvis proceduren viser sig at være sikker, kan den gøre dyb hjernestimulering til et mere attraktivt alternativ i tidligere stadier af Parkinsons.
Ud over brug i dyb hjernestimulering, siger Llinas, at hans elektroder kunne detektere signaler, f.eks. i det område af en persons hjerne, der er ansvarlig for at styre armbevægelser. Disse signaler kan derefter bruges til at drive en robotarm, og genoprette nogle evner til mennesker, der er lammet af hjerne- og rygmarvsskader. Llinas siger, at den første anvendelse af nanotrådselektroderne kan være at dirigere nerveimpulser rundt om beskadigede områder af rygmarven, enten til andre nerver eller direkte til muskler, hvilket muligvis genopretter funktionen til lammede lemmer.
Nanoelektroderne kunne også spille en rolle i at forbedre de cochleaimplantater, der bruges til at genoprette hørelsen. Fordi elektroderne er så små, kunne det være muligt at øge antallet af elektroder, der bruges i et cochleaimplantat, for at stimulere en bredere region og give mere farve til lyd, siger Patrick Anquetil , en maskiningeniør postdoc ved MIT og en af forskerne på projektet. Han siger, at de første kommercielle anvendelser af nanotrådselektroderne sandsynligvis stadig er fem år væk.
I fremtiden planlægger forskerne at bygge styrbare elektroder. For at gøre dette vil de bruge en polymer, der trækker sig sammen som reaktion på elektricitet. Et bundt af sådanne nanotråde kunne dirigeres ved at få udvalgte nanotråde til at trække sig sammen.
Forskerne tror, at bundtet af nanotråde til sidst delvist kunne styre sig selv. Anquetil fortæller, at de har lavet polymerer, der fungerer som tryksensorer, og de ser muligheden for at bruge halvledende polymerer som grundlag for simple elektriske kontakter. En ting, der virkelig begejstrer os ved dette, er i princippet, at der ikke er nogen grund til, at du med det samme materiale ikke kan bygge et helt system, hvor du har sammentrækning, måling, sansning og beregning.
Mens de første bundter ville bruge relativt få elektroder, kunne tusinder i sidste ende blive grupperet sammen for at danne en pakke, der ikke er bredere end de 1-2 millimeter sonder, som Llinas siger, der bruges i dag i hjernen. En gang nær det målrettede område, ville nanotrådene få lov til at adskilles. Trådene ville derefter spredes ud, skubbet ind i et forgrenet netværk af kapillærer. Dette ville give forskere mulighed for at overvåge og levere impulser til individuelle neuroner dybt inde i hjernen i et distribueret område, en evne, der kunne vise sig at være en velsignelse for hjerneforskere, der nu er begrænset til at bruge relativt små rækker af elektroder.