Ultracienki implant mózgu monitoruje napady padaczkowe

Nowy, ultracienki, ultraelastyczny implant wyposażony w czujniki może rejestrować burzę elektryczną, która wybucha w mózgu podczas napadu, z prawie 50-krotnie większą rozdzielczością niż było to możliwe wcześniej. Poziom szczegółowości może zrewolucjonizować leczenie padaczki, umożliwiając mniej inwazyjne procedury wykrywania i leczenia napadów. Mogłoby to również doprowadzić do głębszego zrozumienia funkcji mózgu i zaowocować interfejsami mózg-komputer o bezprecedensowej wydajności.

Mapa mózgu: Ultracienka matryca elektrod, pokazana na górze, umieszczona w mózgu kota, pozwala na akwizycję danych znacznie większą niż kiedykolwiek wcześniej. U dołu matryca elektrod jest tak elastyczna, że ​​można ją złożyć wokół nawet najcieńszych przedmiotów, co pozwala na łatwe wkładanie i dobre pokrycie nierównych powierzchni.

W przypadku pacjentów z padaczką, którzy nie reagują na leki, neurolodzy często próbują zmapować, gdzie w mózgu powstał napad, aby można było usunąć ten obszar chirurgicznie. Lekarz usuwa fragment czaszki i umieszcza masywny układ czujników na powierzchni kory czołowej pacjenta.

Mówi się, że te urządzenia kliniczne niewiele się zmieniły od lat 50. lub 60 Brian Litt , specjalista ds. epilepsji i bioinżynier z University of Pennsylvania oraz jeden z naukowców, którzy kierowali nowymi badaniami. Ponieważ urządzenie musi pomieścić przewody dla każdej elektrody, ma miejsce tylko na mniej niż 100 elektrod i daje słabą rozdzielczość obrazu aktywności elektrycznej. Litt mówi, że to jak próba zrozumienia, co dzieje się w tłumie na Manhattanie za pomocą jednego mikrofonu zawieszonego na helikopterze.

Obecna technologia utknęła w matrycy czujników z około ośmioma czujnikami na centymetr kwadratowy; nowa macierz — zbudowana we współpracy z John Rogers , profesor inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign — może zmieścić 360 czujników na tej samej przestrzeni. Aby stworzyć małe urządzenie tak gęsto wypełnione czujnikami, Rogers zintegrował elektronikę i tranzystory krzemowe z samą macierzą, drastycznie zmniejszając ilość okablowania.

To bardziej przypomina tablicę mikrofonów 360, opuszczonych bliżej powierzchni i nagranych ze znacznie mniejszych regionów: kilka osób na rogu ulicy, kilka przy skrzynce pocztowej, mówi Litt. Ta nowa technika może być kluczem do zrozumienia sieci funkcjonalnych w mózgu, a nawet może być kluczem do leczenia i potencjalnego wyleczenia niektórych chorób.

W swoim pierwszym teście urządzenia, na kocie z epilepsją, Litt, Rogers i doktorant Jonathan Viventi (obecnie adiunkt studiujący neuroinżynierię translacyjną na Uniwersytecie Nowojorskim) zobaczył coś uderzającego: burzę aktywności, która wyglądała jak samorozchodząca się fala spiralna. Wzór, widoczny tylko przy zapisie o niewiarygodnie wysokiej rozdzielczości, jest niezwykle podobny do tego obserwowanego w mięśniu sercowym podczas zagrażającego życiu stanu zwanego migotaniem komór.

Zamiast dużych obszarów mózgu odpowiedzialnych za napady padaczkowe, jak mówi Litt, tradycyjnie uważano, że występuje, wydaje się, że zamiast tego pochodzi z wielu skupisk bardzo małych obszarów lub mikrodomen w korze. Badanie zostało opublikowane online w zeszłym tygodniu w Neuronauka przyrody .

Poza kontrolą: Napad padaczkowy u kota, mierzony przez nowy implant o dużej gęstości elektrod, wykazuje niespotykaną wcześniej spiralną falę aktywności elektrycznej.

To jest absolutnie wspaniałe. Byłem zdumiony osiągnięciem technicznym oraz bardzo mocnymi i ważnymi wynikami, mówi Gerwin Schalk , badacz interfejsów mózg-komputer w Wadsworth Center w Albany w stanie Nowy Jork. Schalk nie był zaangażowany w badania. Będzie miał ogromną wartość dla podstawowej neuronauki i badań translacyjnych. Schalk zauważa, że ​​jeśli ta technologia sprawdzi się u ludzi, może otworzyć znaczne możliwości dla wszystkiego, od diagnostyki po urządzenia interfejsu mózg-komputer.

Urządzenie mogłoby również umożliwić mniej inwazyjne testowanie i leczenie. Litt mówi, że zamiast przecinać duży fragment czaszki w celu umieszczenia urządzenia monitorującego, nowy implant może pozwolić chirurgom wywiercić tylko mały otwór, przez który można wsunąć cienki, zwinięty układ czujników i rozwinąć go na powierzchnię mózgu kiedy jest w środku. Zamiast usuwać obszary mózgu wielkości piłki golfowej, możliwe byłoby po prostu usunięcie mikrodomen i pozostawienie nienaruszonej reszty kory.

Obecna wersja urządzenia to jeden centymetr kwadratowy; do użytku przez ludzi naukowcy muszą rozszerzyć go do około ośmiu centymetrów kwadratowych. Startup o nazwie MC10 będzie pracował nad powiększeniem i przygotowaniem do produkcji.

Litt i Rogers pracują teraz nad stworzeniem implantu ze stymulatorami osadzonymi obok czujników. Jeśli uda im się zbudować urządzenie, które nie tylko wykryje początek napadu, ale równie szybko zapewni stymulację elektryczną, aby go stłumić, badania mogą mieć ogromny wpływ kliniczny. To nie jest tylko narzędzie badawcze. Ma jasno określony sposób użycia w warunkach klinicznych, mówi Rogers. Jest to kawałek biointegrowanej elektroniki, która nie ma sobie równych pod względem funkcjonalności, a dowód tkwi w budyniu.

ukryć