211service.com
Arbetet börjar med hjärnstimulatorn för att korrigera minnet
För några av de ca 10 miljoner människor världen över med traumatisk hjärnskada (TBI) kan det vara en av de svåraste sakerna de kommer att göra på en dag att bilda och hålla fast vid nya minnen. Föreställ dig nu en anordning implanterad i hjärnan som kan hjälpa dem att koda minnen med hjälp av små elektriska stötar.
En röntgen visar EEG-registrerande elektroder under skallen på en epilepsipatient.
De första stegen mot en sådan minnesneuroprotetik tas vid University of Pennsylvania, där forskare har startat tester på hjärnkirurgiska patienter för att försöka lokalisera och påverka de processer som styr minnesbildningen.
När människor drabbas av hjärnskador händer flera saker. Neuroner kan skadas från den första stöten eller från blåmärken eller svullnad i hjärnan efteråt. Axoner som förbinder hjärnregioner kan vara allvarligt skadade under sammanstötningen, i vissa fall bokstavligen separera från neuroner.
Hjärnan är ett komplext nätverk av neuroner som alla måste kommunicera med varandra, säger Matthew Kirschen, en pediatrisk neurolog vid Children's Hospital of Philadelphia, som inte är involverad i Penn-forskningen. Allt du behöver är en liten störning i den axonala processen och minnet är försämrat.
Pennsylvania-teamet är ett av flera i USA som finansierades förra året av DARPA, Pentagons forskningsbyrå, för att designa och bygga stimulatorer som kan påverka kognition genom att ständigt registrera hjärnans funktion och zappa vissa hjärnområden med låga doser elektricitet (se Militärfonder hjärn-datorgränssnitt för att kontrollera känslor).
Penn-teamet, ledd av kognitiv neuroforskare Michael Kahana, har redan börjat analysera hjärninspelningar från patienter med svår epilepsi. Som en del av behandlingen får dessa patienter ett litet nät av elektroder under skallen, som de bär i två till sju veckor. Elektroderna samlar in EEG-inspelningar som används för att beräkna var i deras hjärnor deras anfall kommer från, som förberedelse för operation för att avlägsna den felaktiga vävnaden.
Medan de genomgår denna behandling, ställer sig vissa patienter också frivilligt för att låta Kahana studera dem när de spelar minnesspel på en dator. EEG-elektroderna registrerar den genomsnittliga elektriska aktiviteten för tiotusentals neuroner på en gång; Kahana säger att några av hjärnvågorna som mäts på detta sätt är korrelerade med minnesfunktion.
Kopplingen mellan EEG-oscillationer och minnen är inte klar, men Penn-forskarna misstänker att vissa frekvenser kan ge en markör för hur väl en person kommer att komma ihåg saker. Dessa inkluderar så kallade thetaoscillationer - en typ av neuronal aktivitet i hippocampus, en hjärnregion som är aktiv för att skapa nya minnen. Det är de [jag] tror är de viktigaste för minnesbildning, och de är ofta närvarande i hippocampus, säger Josh Jacobs, professor i biomedicinsk teknik vid Columbia University som arbetar med projektet.
År 2013 skapade forskare vid University of California, Davis, hjärnskador hos 56 råttor, vilket allvarligt minskade deras theta-svängningar. De visade sedan att elektrisk stimulering av den mediala septalkärnan, en del av hippocampusregionen i hjärnan, hjälpte råttor att fly snabbare från en labyrint.
Om Penn-teamet kan identifiera markörer för minnesbildning, kommer det att försöka påverka dem genom att stimulera hjärnan med låga doser elektricitet. Målet är att testa om det är möjligt att lura hjärnans kretsar till vilket tillstånd som helst som representerar en specifik patients bästa möjliga minnesfunktion.
Kahana, som är chef för universitetets Computational Memory Lab, säger att det är för tidigt att säga om idén kommer att fungera. Vi vill att hjärnan ska uppvisa ett visst mönster av elektrisk aktivitet, säger han. Det är ett stort steg [att säga] att vi på något sätt kan knuffa in det i det tillståndet genom att ge det en liten push.
Elektrisk hjärnstimulering används redan i stor utsträckning för att stoppa de fysiska skakningar som är förknippade med Parkinsons sjukdom. Även om det inte är klart varför tekniken fungerar, tror vissa att den verkar för att undertrycka överexciterade neuroner. Cirka 125 000 personer har fått djupa hjärnstimulatorer; nästan alla enheter är tillverkade av Minneapolis medicintekniska tillverkare Medtronic.
Medtronics enhet använder en tråd för att stimulera hjärnan med jämna pulser av elektricitet. Enheten som Penn-forskarna hoppas kunna bygga med Medtronics hjälp kommer att vara annorlunda: Jacobs säger att den kommer att använda dussintals elektroder inuti hjärnan för att spela in och stimulera. Uppställningen kan applicera ström för att passera mellan elektroderna, vilket kan ändra aktiviteten hos neuroner i regioner mellan dem. Du kan teoretiskt spela in och zappa snabbt för att få minneskodningskretsen omjusterad, säger Jacobs.
Mer än 270 000 medlemmar av den amerikanska militären har diagnostiserats med TBI sedan 2000 (se Brain Trauma in Iraq), enligt DARPA, som känner ett trängande behov av effektiva behandlingar, även om de flesta skador inte inträffar i krigsområden. Penn-teamet säger att de räknar med att ägna två år åt att studera minnessignaler och ytterligare två år på att utveckla en enhet. Kliniska tester på människor, säger Kahana, kan följa om forskningen är framgångsrik.