211service.com
Małe elektrody dla mózgu
Nowy typ polimerowej nanoelektrody może sprawić, że implanty mózgowe, w tym te stosowane w leczeniu ciężkich przypadków choroby Parkinsona, będą znacznie bezpieczniejsze, a także może sprawić, że próby przywrócenia wzroku i ruchu za pomocą bezpośrednich interfejsów mózg-maszyna będą bardziej wykonalne. Rodolfo Llinas , profesor neurologii na Uniwersytecie Nowojorskim i naukowcy z MIT opracowali elektrodę nanoprzewodową o szerokości zaledwie 600 nanometrów, która może wysyłać i odbierać sygnały do mózgu.
Naukowcy z NYU i MIT opracowali elastyczną elektrodę, która może wysyłać lub odbierać sygnały z komórek mózgowych. Elektrodę można wprowadzić do mózgu przez naczynia krwionośne, eliminując konieczność otwierania czaszki pacjenta w przypadku niektórych zabiegów neurologicznych. (Dzięki uprzejmości Ziny Deretsky, National Science Foundation.)
Elektroda opracowana przez Llinasa i współpracowników jest tak mała, że można ją wprowadzić przez tętnicę, być może w ramię lub pachwinę, i podłączyć do mózgu. Ponieważ elektroda ma niewielki ułamek wielkości krwinki czerwonej i jest elastyczna, można ją przeciągnąć przez najmniejsze naczynia krwionośne, zbliżając się do neuronów znajdujących się głęboko w mózgu, aby wykryć i dostarczyć sygnały elektryczne.
[ Kliknij tutaj, aby zobaczyć obrazy elektrody w naczyniach krwionośnych.]
Jedna z obecnych metod leczenia ciężkich przypadków choroby Parkinsona, zwana głęboką stymulacją mózgu, polega na wszczepianiu elektrod dostarczających impulsy elektryczne o wysokiej częstotliwości, które wyłączają części mózgu odpowiedzialne za objawy choroby (patrz Rozruszniki mózgu). Takie zabiegi są jednak ryzykowne i kosztowne, po części dlatego, że wymagają otwarcia czaszki pacjenta w celu chirurgicznego wprowadzenia elektrod do tkanki mózgowej.
Konwencjonalne elektrody, które teraz mierzą się w milimetrach, mogą również uszkadzać naczynia krwionośne w mózgu, mówi Joseph Pancrazio, dyrektor programowy projektów inżynierii neuronowej w Narodowym Instytucie Zaburzeń Neurologicznych i Udaru (NINDS), jednym z Narodowych Instytutów Zdrowia. Wykorzystując nanowymiary do nawlekania elektrod przez układ naczyniowy, można zmniejszyć ryzyko udaru mózgu. Jest to całkowicie nieszablonowy sposób myślenia o umożliwieniu głębokiej stymulacji mózgu. Myślę, że mogą być opłacalne pod względem bezpieczeństwa, skuteczności, solidności i biokompatybilności. Z pewnością jest to obszar, któremu musimy się poważnie przyjrzeć.
Brak konieczności otwierania czaszki byłby wyraźną korzyścią w stosunku do tego, co teraz robimy, mówi Jeff Bronstein , neurolog z UCLA Medical School, który twierdzi, że tysiące pacjentów z chorobą Parkinsona przeszło procedury głębokiej stymulacji mózgu.
John Heiss, neurochirurg z NINDS, ostrzega, że najpierw trzeba będzie wykazać, że nanodruty nie powodują powikłań, takich jak skrzepy krwi. Zauważa też, że choć głowa nie musiałaby być otwierana, to taki zabieg wymagałby inwazyjnego zabiegu chirurgicznego. Heiss mówi jednak, że jeśli procedura okaże się bezpieczna, może sprawić, że głęboka stymulacja mózgu stanie się bardziej atrakcyjną alternatywą we wcześniejszych stadiach choroby Parkinsona.
Poza zastosowaniem w głębokiej stymulacji mózgu, Llinas twierdzi, że jego elektrody mogą wykrywać sygnały, powiedzmy, w obszarze mózgu osoby odpowiedzialnym za kierowanie ruchem ramion. Sygnały te można następnie wykorzystać do kierowania ramieniem robota, przywracając pewne zdolności ludziom sparaliżowanym przez urazy mózgu i rdzenia kręgowego. Llinas twierdzi, że pierwszym zastosowaniem nanoprzewodowych elektrod może być kierowanie impulsów nerwowych wokół uszkodzonych obszarów rdzenia kręgowego, do innych nerwów lub bezpośrednio do mięśni, prawdopodobnie przywracając funkcje sparaliżowanym kończynom.
Nanoelektrody mogą również odegrać rolę w ulepszaniu implantów ślimakowych używanych do przywracania słuchu. Ponieważ elektrody są tak małe, można by zwiększyć liczbę elektrod stosowanych w implancie ślimakowym, aby stymulować szerszy obszar i nadać dźwiękowi więcej kolorów, mówi Patryk Anquetil , stażysta podoktorancki inżynierii mechanicznej na MIT i jeden z naukowców biorących udział w projekcie. Twierdzi, że prawdopodobnie do pierwszych komercyjnych zastosowań elektrod z nanoprzewodami należy jeszcze pięć lat.
W przyszłości naukowcy planują zbudować sterowalne elektrody. W tym celu użyją polimeru, który kurczy się w odpowiedzi na elektryczność. Wiązkę takich nanodrutów można ukierunkować, powodując kurczenie się wybranych nanodrutów.
Naukowcy sądzą, że w końcu wiązka nanoprzewodów może częściowo sterować sobą. Anquetil twierdzi, że stworzyli polimery, które działają jak czujniki ciśnienia, i widzą możliwość wykorzystania polimerów półprzewodnikowych jako podstawy prostych przełączników elektrycznych. Jedną z rzeczy, która naprawdę nas w tym ekscytuje, jest to, że w zasadzie nie ma powodu, dla którego z tego samego materiału nie można zbudować całego systemu, w którym mamy skurcz, pomiar, wykrywanie i obliczenia.
Podczas gdy pierwsze wiązki wykorzystywałyby stosunkowo niewiele elektrod, tysiące mogłyby ostatecznie zostać zgrupowane razem, tworząc pakiet nie szerszy niż 1-2 milimetrowe sondy, które według Llinasa są obecnie używane w mózgu. Po zbliżeniu się do obszaru docelowego nanodruty mogłyby się rozdzielić. Druty następnie się rozproszyły, wepchnięte w rozgałęzioną sieć naczyń włosowatych. Umożliwiłoby to naukowcom monitorowanie i dostarczanie impulsów do poszczególnych neuronów głęboko w mózgu w rozproszonym obszarze, co może okazać się dobrodziejstwem dla badaczy mózgu, które teraz ograniczają się do stosowania stosunkowo niewielkich zestawów elektrod.