211service.com
Lepszy sposób na sondowanie mózgu
Dr Polina Anikeeva ’09 opracowuje materiały, które oferują słabe, a nawet bezprzewodowe połączenia z układem nerwowym, pozwalające naukowcom stymulować i zbierać dane z poszczególnych komórek mózgowych. 21 kwietnia 2015
Mózg jest często opisywany jako najbardziej złożona znana struktura: wiele komórek połączonych w sieci i tętniących aktywnością elektryczną i chemiczną. Jako materiałoznawca, dr Polina Anikeeva, dr '09 wie również, że mózg jest znacznie bardziej miękki i giętki niż urządzenia, których używamy do jego badania. W rzeczywistości ma elastyczne właściwości budyniu czekoladowego, mówi Anikeeva, adiunkt nauk o materiałach i inżynierii na MIT. Możesz go łyżką, jeśli chcesz.
Jednak kiedy naukowcy próbują zbadać mózg, zwykle polegają na sztywnych i ostrych materiałach, takich jak sondy krzemowe i elektrody stalowe. Mówi, że ma to taki sam sens, jak krojenie budyniu nożem.
W przypadku implantów neuronowych dla ludzi, takich jak urządzenia do głębokiej stymulacji mózgu, niedopasowanie może mieć poważne konsekwencje. Sztywne elektrody mogą przeciąć tkankę, jeśli mózg się poruszy. Komórki z układu odpornościowego i pobliskiej tkanki roją się, otaczając każdy implant z tkanką bliznowatą. Podobne problemy dotyczą interfejsów nerwowych rdzenia kręgowego.
Anikeeva, która kieruje laboratorium bioelektroniki w MIT, opracowuje lepsze sposoby interakcji z mózgiem i rdzeniem kręgowym. Chociaż jej laboratorium ma mniej niż cztery lata, czołowe czasopisma opublikowały szereg artykułów jej grupy demonstrujących nowe technologie, w tym cienkie, elastyczne sondy z włókna polimerowego do stymulacji i rejestrowania aktywności neuronów, a także nanocząstki magnetyczne, które można wykorzystać do stymuluj je bez żadnych przewodów. Celem jest sondowanie mózgu delikatniejszym dotykiem — i robienie tego precyzyjnie, jednocześnie integrując kilka funkcji w jednym urządzeniu.
Prace Anikeevy już umożliwiają innym naukowcom prowadzenie nowych rodzajów badań mózgu i rdzenia kręgowego. Ostatecznie tworzone przez nią materiały mogą oferować mniej inwazyjny sposób łączenia urządzeń z ludzkim ciałem w celu leczenia chorób neurologicznych lub przywracania ruchu.
Nauka nerd
W zasadzie byłam naukowcem od bardzo wczesnych dni, mówi Anikeeva. Dorastała w Sankt Petersburgu w Rosji jako córka rodziców, którzy oboje kształcili się na inżynierów mechaników. (Jej matka pomagała projektować atomowe okręty podwodne przed upadkiem Związku Radzieckiego). W wieku 12 lat została przyjęta do prestiżowego Liceum Fizyczno-Technicznego, które jest powiązane z Instytutem Fizyczno-Technicznym im. Ioffe Rosyjskiej Akademii Nauk. Szkoła ma zaledwie 180 uczniów i prowadzi zajęcia sześć dni w tygodniu; jego celem jest przygotowanie przyszłych badaczy. „Trudniej jest się dostać niż dostać się do MIT”, mówi.
Anikeeva studiowała biofizykę na Państwowym Uniwersytecie Politechnicznym w Sankt Petersburgu; w ramach programu wymiany w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu nauczyła się analizować strukturę białek za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego. Po ukończeniu studiów odbyła roczny staż w Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku, projektując ogniwa słoneczne z półprzewodnikowych nanokryształów zwanych kropkami kwantowymi.
Kiedy odwiedzała szkoły podyplomowe, MIT wyróżniał się zarówno dla swoich studentów, jak i wykładowców. Czułam, że na MIT będę otoczona przez naprawdę utalentowanych ludzi, którzy są fanatykami swojej pracy – mówi. Studia doktoranckie rozpoczęła w 2004 roku w laboratorium Vladimira Bulovicia, ówczesnego docenta elektrotechniki i informatyki, który opracowywał nowe urządzenia elektroniczne i optyczne wykorzystujące nanotechnologię. Tam zapoczątkowała technikę tworzenia diod LED za pomocą kropek kwantowych do generowania światła o różnych kolorach.
Anikeeva lubiła pracować z nanomateriałami, ale pasjonowała ją także biologia. W naszych telefonach komórkowych mamy tak wyrafinowane technologie — mamy piękne wyświetlacze, najnowocześniejsze moduły obliczeniowe, tranzystory, obwody i tak dalej, mówi. Chciała wykorzystać niektóre z tych osiągnięć, aby ulepszyć technologię dla ciała. Ale zanim arogancko pójdę i spróbuję rozwiązać problemy, o których istnieniu nie wiedziałam, zdecydowałam, że rzeczywiście muszę spędzić trochę czasu w środowisku biologicznym.
Anikeeva bada partię włókien, z których każde zawiera pojedynczą elektrodę. Zostaną ułożone wokół pustych rurek i rozciągnięte, tworząc sondy neuronowe o szerokości 100 mikrometrów, które mogą dostarczać leki i rejestrować informacje.
Ta decyzja zaprowadziła ją do laboratorium neurobiologii Karla Deisserotha na Uniwersytecie Stanforda. Jego grupa była w trakcie przełomowych prac nad optogenetyką, która wykorzystuje światło do stymulacji komórek w mózgach zwierząt, które zostały zaprojektowane tak, aby zawierały białka aktywowane światłem. Kiedy zobaczyłam, że opracowują metody optycznej kontroli mózgu, byłam naprawdę zszokowana – mówi. Zasugerował również nowy sposób zastosowania jej umiejętności. Mózg oznacza potencjały czynnościowe i napięcia — pomyślałam, że jako optoelektronik mogę się trzymać za napięciem, mówi. To coś, co mam szansę zrozumieć.
Grupa Deisserotha potrzebowała sprzętu do wysyłania światła do określonych obszarów mózgu myszy, a także rejestrowania nagrań elektrycznych z oświetlonych komórek. Podczas dwuletniego stażu podoktorskiego, rozpoczętego w 2009 roku, Anikeeva opracowała sondę, która była bardziej wyrafinowana niż ta, której używali; jej wersja zawierała wiele elektrod wzdłuż światłowodu. To był kluczowy krok w uzyskaniu bogatych odczytów z interfejsu światłowodowego, mówi Deisseroth.
Doświadczenie nauczyło Anikeevę, jak przeprowadzać eksperymenty i pracować ze zwierzętami – i dało jej problemy do rozwiązania. Po przejściu tego bardziej podstawowego treningu neurobiologicznego zaczęłam myśleć o narzędziach, których używaliśmy, mówi. Te technologie są naprawdę dość prymitywne. Były za duże, za duże i nie miały wystarczających możliwości. Biolodzy, z którymi pracowała Anikeeva, manipulowali pojedynczymi przewodami pod mikroskopami, co jest dalekie od wyrafinowanych technik produkcyjnych stosowanych w przemyśle elektronicznym.
Poczułam, że powinniśmy być w stanie zrobić to lepiej – mówi. A kiedy zaproponowano jej stanowisko wydziałowe na MIT, ta przesłanka stała się podstawą jej własnego laboratorium. W swojej obecnej pracy Anikeeva wnosi swoją wiedzę z zakresu materiałoznawstwa do neuronauki. Jest niesamowicie utalentowana, bez względu na to, na co się położy, mówi Bulović, obecnie profesor nowych technologii, prodziekan Wydziału Inżynierii ds. innowacji i współdyrektor Inicjatywy Innowacji MIT. Wzięła wszystkie te doświadczenia, które nabyła… i uznała, że potrafi je połączyć w spójną całość.
Lepszy młotek
W laboratorium w piwnicy w MIT, Andres Canales, SM '13, doktorant z grupy Anikeevy, obserwuje zachodzącą fizyczną przemianę: cylinder z polimerów i metalu jest powoli topiony i wciągany w długi, przypominający wermiszel drut z wysoka wieża w rogu pokoju. Jednym z powodów, dla których Anikeeva chciała wrócić do MIT, była współpraca z Yoelem Finkiem, dyrektorem Laboratorium Badawczego Elektroniki i wiodącym innowatorem w tej technice ciągnienia włókien, w której materiały są składane razem, podgrzewane i wciągane jak toffi do ultracienkich włókna, które zachowują oryginalną strukturę i funkcjonalność. Fink podzielił się z jej laboratorium zarówno swoją wiedzą fachową, jak i wieżą przędzalniczą, która zapewnia precyzyjną kontrolę i możliwość zredukowania cech do mikroskopijnego poziomu (patrz Demo ).
Dzięki tej współpracy jej zespół połączył falowody optyczne, elektrody i kanały dostarczania leków w jedno włókno, które może być tak cienkie jak ludzki włos i wystarczająco elastyczne, aby owinąć się wokół palca. Co najważniejsze, te urządzenia nie są odrzucane przez organizm.
Tego rodzaju zdolność może pomóc neurologom próbującym rozwikłać złożone funkcje mózgu u myszy. Guoping Feng, profesor nauk o mózgu i kognitywistyce w McGovern Institute w MIT, wykorzystuje sondy Anikeeva do badania chorób psychicznych, takich jak autyzm i zaburzenia obsesyjno-kompulsywne. Jego praca obejmuje przyglądanie się komunikacji między neuronami w mózgu oraz związkom między genami, obwodami mózgowymi i zachowaniem. Aby obserwować te procesy u żywych zwierząt, naukowcy muszą być w stanie precyzyjnie manipulować określonymi obwodami i rejestrować aktywność manipulowanych komórek. Mówi, że dzięki cienkiemu, wielofunkcyjnemu urządzeniu możesz mieć wszystkie możliwości przy minimalnych zaburzeniach lub uszkodzeniu tkanek mózgowych.
Urządzenia można również stosować w rdzeniu kręgowym, do którego dostęp jest utrudniony i wymaga elastycznego urządzenia, ponieważ często się porusza i rozciąga. Chociaż elektryczna stymulacja rdzenia kręgowego może wywoływać ruch u sparaliżowanych zwierząt i była stosowana klinicznie u ludzi z skromnymi wynikami, Chet Moritz, profesor medycyny rehabilitacyjnej na University of Washington w Seattle, mówi, że stymulacja optyczna może umożliwić bardziej precyzyjną kontrolę określone komórki. Stymulacja elektryczna to dość duży młotek, mówi. Dzięki optogenetyce możesz mieć dość dużą pewność, że aktywujesz określony obwód.
Moritz pracuje nad stymulacją górnego rdzenia kręgowego — ostatecznie w celu przywrócenia ruchów, takich jak sięganie i chwytanie, które wymagają większej finezji niż chodzenie. Aby to zrobić, musi bezpośrednio celować w określone neurony. Współpracując z Anikeevą, testuje możliwość wykorzystania światła do stymulacji rdzeni kręgowych szczurów z myślą o reanimacji sparaliżowanych kończyn.
Bezprzewodowa stymulacja mózgu
Tymczasem Anikeeva pracuje nad technologiami, które mogą stymulować określone obszary mózgu bez żadnych przewodów. W niedawnym artykule w , jej grupa zademonstrowała technikę, która wykorzystuje pola magnetyczne i wstrzykuje nanocząsteczki do aktywacji komórek głęboko w mózgach myszy.
W tym procesie nanocząstki magnetyczne są podgrzewane za pomocą naprzemiennych pól magnetycznych, które łatwo przechodzą przez tkankę mózgową, nie wpływając na nią. Od dziesięcioleci naukowcy pracują nad technikami wstrzykiwania magnetycznych nanocząstek do guzów i podgrzewania ich magnesami w celu zabicia komórek rakowych. Ale zamiast niszczyć komórki, Anikeeva chciała wytworzyć szybki wybuch ciepła, który wywołałby ogień w neuronach.
Inni naukowcy zastosowali podobne podejście do stymulowania komórek zaprojektowanych do ekspresji reagującego na ciepło białka TRPV1. Ale Anikeeva mówi, że komórki w tych badaniach reagowały zbyt wolno na rodzaj natychmiastowej stymulacji, którą chce osiągnąć.
Jej zespół, kierowany przez doktorantów Ritchiego Chen, SM ’13 i Michaela Christiansena, zaczął modelować, w jaki sposób magnetyczne nanocząstki rozpraszają ciepło. Cząsteczki dopasowują się do pola magnetycznego i ponownie ustawiają się, gdy zmienia się jego kierunek, uwalniając w tym procesie ciepło. Modele wykazały, że efekt ten był silniejszy, jeśli wielkość i kształt cząstek odpowiadały właściwościom pola magnetycznego. Dostosowując konstrukcję zarówno cewek magnetycznych, jak i nanocząstek, naukowcy byli w stanie szybciej wytwarzać więcej ciepła.
Cząsteczki są wykonane z tlenku żelaza (powszechnie stosowanego jako środek kontrastowy w rezonansie magnetycznym) i pokryte polimerami, które zapobiegają ich usuwaniu przez układ odpornościowy organizmu. Zespół Anikeevy wykorzystał wirusa do dostarczenia genu TRPV1 do komórek w określonej części mózgów myszy. Następnie wstrzyknęli ten sam region nanocząsteczkami. Pod wpływem pola magnetycznego cząstki rozgrzały się, powodując zapłon zmodyfikowanych neuronów.
Anikeeva bada obecnie, czy zmiana pól magnetycznych i składu cząstek może umożliwić celowanie w wiele typów komórek lub obwodów mózgowych. I chociaż w tym badaniu wykorzystano inżynierię genetyczną, aby wprowadzić wrażliwe na ciepło białko do komórek myszy, twierdzi, że TRPV1 jest powszechne w ludzkim mózgu, więc takie majsterkowanie może nie być konieczne do zastosowania tej techniki u ludzi.
Ta demonstracja, chociaż jest wstępna, wskazuje na znacznie mniej inwazyjny sposób stymulacji komórek głęboko w mózgu. Obecnie pacjenci, którzy otrzymują głęboką stymulację mózgu w stanach takich jak choroba Parkinsona, wymagają operacji w celu wszczepienia elektrod podłączonych do zewnętrznej baterii. Te myszy otrzymały prosty zastrzyk, a nanocząsteczki magnetyczne pozostały aktywne miesiąc później. Wyobraża sobie, że pewnego dnia pacjenci mogliby otrzymać lek magnetyczny i spędzać określoną ilość czasu każdego dnia w pobliżu urządzenia magnetycznego.
Grupa Anikeevy udoskonala te technologie i poszukuje współpracowników, którzy wystawią je na próbę. Wyobraża sobie użycie miękkich sond polimerowych do precyzyjnego mapowania mózgu lub dostarczania leku lub stymulacji optycznej, a następnie monitorowania jego wpływu na aktywność komórek.
Jest również żywo zainteresowana wykorzystaniem technologii jako interfejsów neuronowych w leczeniu paraliżujących urazów. Kiedy przyjaciel doznał poważnego urazu rdzenia kręgowego podczas wspinaczki skałkowej, Anikeeva uderzyła prymitywna technologia rehabilitacji i przywracania ruchu. Mówi, że wpłynęło to na mój program badawczy w bardzo głęboki sposób.
Jako entuzjastyczna wspinaczka skałkowa i biegaczka długodystansowa, Anikeeva jest szczególnie zainteresowana ruchem, ponieważ uważa go za niezbędny dla własnego myślenia. Wspinaczka to duża, definiująca część mojego życia, mówi, i często rozwiązuje problemy podczas biegania przez dwie lub trzy godziny na raz. Nigdy nie ćwiczę z muzyką, mówi. Zasadniczo to ja przeciwko mojemu mózgowi.