211service.com
Ett bättre sätt att sondera hjärnan
Polina Anikeeva, PhD '09, utvecklar material som erbjuder lågpåverkande eller till och med trådlösa anslutningar till nervsystemet, vilket gör att forskare kan stimulera och samla in data från enskilda hjärnceller. 21 april 2015
Hjärnan beskrivs ofta som den mest komplexa strukturen man känner till: en mängd celler, sammanfogade till nätverk och vimlar av elektrisk och kemisk aktivitet. Som materialvetare vet Polina Anikeeva, PhD '09, också att hjärnan är mycket mjukare och smidigare än de apparater vi använder för att studera den. Den har faktiskt de elastiska egenskaperna hos chokladpudding, säger Anikeeva, biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid MIT. Du kan skeda den om du vill.
Men när forskare försöker utforska hjärnan, förlitar de sig vanligtvis på styva och vassa material, som kiselsonder och stålelektroder. Det är ungefär lika vettigt, säger hon, som att skära genom pudding med en kniv.
Med neurala implantat för människor, såsom enheter för djup hjärnstimulering, kan missmatchningen få allvarliga konsekvenser. Stela elektroder kan skära genom vävnad om hjärnan vibrerar. Celler från immunsystemet och närliggande vävnad svärmar in och omger implantatet med ärrvävnad. Liknande problem gäller för neurala gränssnitt för ryggmärgen.
Anikeeva, som leder MIT:s Bioelectronics Lab, utvecklar bättre sätt att interagera med hjärnan och ryggmärgen. Även om hennes labb är mindre än fyra år gammalt, har framstående tidskrifter publicerat en rad av hennes grupps artiklar som visar ny teknologi, inklusive tunna, flexibla polymerfibersonder för att stimulera och registrera aktivitet från neuroner, såväl som magnetiska nanopartiklar som kan användas för att stimulera dem utan sladdar alls. Målet är att sondera hjärnan med en mjukare beröring – och att göra det exakt, samtidigt som flera funktioner integreras i en enhet.
Anikeevas arbete gör det redan möjligt för andra forskare att utföra nya typer av studier på hjärnan och ryggmärgen. I slutändan kan materialen hon skapar erbjuda ett mindre invasivt sätt att ansluta enheter till människokroppen för att behandla neurologiska sjukdomar eller återställa rörelse.
Vetenskapsnörd
Jag var i grunden en vetenskapsnörd från mycket tidiga dagar, säger Anikeeva. Hon växte upp i Sankt Petersburg, Ryssland, dotter till föräldrar som båda utbildade sig till maskiningenjörer. (Hennes mamma hjälpte till med att designa atomubåtar innan Sovjetunionens kollaps.) Vid 12 års ålder antogs hon till den prestigefyllda Fysisk-tekniska gymnasieskolan, som är knuten till Ioffe Fysisk-tekniska institutet vid Ryska Vetenskapsakademin. Skolan har bara 180 elever och håller lektioner sex dagar i veckan; dess syfte är att ansa framtida forskare. Det är svårare att komma in än det är att komma in på MIT, säger hon.
Anikeeva studerade biofysik vid Saint Petersburg State Polytechnic University; på ett utbytesprogram vid det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich, lärde hon sig att analysera strukturen hos proteiner med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Efter examen genomförde hon en årslång praktik vid Los Alamos National Laboratory i New Mexico, och designade solceller från halvledarnanokristaller som kallas kvantprickar.
När hon besökte forskarskolor stack MIT ut för sina studenter lika mycket som sin fakultet. Jag kände att jag på MIT skulle vara omgiven av verkligt begåvade människor som är fanatiska om sitt arbete, säger hon. Hon började sin doktorandforskning 2004 i Vladimir Bulovićs labb, då docent i elektroteknik och datavetenskap, som utvecklade nya elektroniska och optiska enheter med nanoteknik. Där var hon pionjär med en teknik för att skapa lysdioder genom att använda kvantprickar för att generera ljus i olika färger.
Anikeeva tyckte om att arbeta med nanomaterial, men hon hade också en passion för biologi. Vi har så sofistikerad teknik i våra mobiltelefoner – vi har dessa vackra displayer, toppmoderna datormoduler, transistorer, kretsar och så vidare, säger hon. Hon ville utnyttja några av dessa framsteg för att förbättra tekniken för kroppen. Men innan jag arrogant skulle gå och försöka lösa problem som jag inte visste fanns, säger hon, bestämde jag mig för att jag faktiskt behövde tillbringa lite tid i en biologisk miljö.
Anikeeva undersöker ett parti fibrer, som var och en innehåller en enda elektrod. De kommer att arrangeras runt ihåliga rör och sträckas för att bilda 100 mikrometer breda neurala sonder som kan leverera läkemedel och registrera information.
Det beslutet ledde henne till Karl Deisseroths neurovetenskaplabb vid Stanford University. Hans grupp var mitt uppe i banbrytande arbete med optogenetik, som använder ljus för att stimulera celler i djurhjärnor som har konstruerats för att inkludera ljusaktiverade proteiner. När jag såg att de utvecklade metoder för att styra hjärnan optiskt blev jag riktigt blåst, säger hon. Det föreslog också ett nytt sätt att tillämpa hennes färdigheter. Hjärnan betyder aktionspotentialer och spänningar - jag tänkte som en optoelektronikperson kan jag hamna bakom spänning, säger hon. Det är något som jag har en chans att förstå.
Deisseroths grupp behövde hårdvara för att skicka ljus till specifika områden av mushjärnor samtidigt som de tog elektriska inspelningar från de upplysta cellerna. Under en tvåårig postdoc som började 2009 utvecklade Anikeeva en sond som var mer sofistikerad än den de använde; hennes version inkluderade flera elektroder längs den optiska fibern. Det var ett nyckelsteg för att få tillbaka rika avläsningar från det fiberoptiska gränssnittet, säger Deisseroth.
Erfarenheten lärde Anikeeva hur man gör experiment och arbetar med djur – och det gav henne problem att lösa. Efter att ha fått den här mer grundläggande neurobiologiska utbildningen fick jag mig att tänka på de verktyg vi använde, säger hon. Dessa tekniker är egentligen ganska primitiva. De var för stora och för skrymmande och hade inte tillräckligt med kapacitet. Biologerna Anikeeva arbetade med manipulerade enskilda ledningar under mikroskop, långt ifrån sofistikerade tillverkningstekniker som används inom elektronikindustrin.
Jag kände att vi borde kunna göra det bättre, säger hon. Och när hon erbjöds en fakultetstjänst vid MIT, blev den premissen grunden för hennes eget labb. I sitt nuvarande arbete tar Anikeeva sin expertis inom materialvetenskap till betydelse för neurovetenskap. Hon är otroligt begåvad oavsett vad hon lägger händerna på, säger Bulović, nu professor i framväxande teknologi, School of Engineerings biträdande dekan för innovation och meddirektör för MIT Innovation Initiative. Hon tog alla dessa erfarenheter som hon fick ... och insåg att hon kunde sätta dem samman i en sammanhängande helhet.
En bättre hammare
I ett källarlabb vid MIT ser Andres Canales, SM '13, en doktorand i Anikeevas grupp, en fysisk förvandling ske: en cylinder av polymerer och metall smälts långsamt och dras in i en lång, vermicelli-liknande tråd från ett högt torn i ena hörnet av rummet. En anledning till att Anikeeva var angelägen om att återvända till MIT var att arbeta med Yoel Fink, chefen för Research Laboratory of Electronics och en ledande innovatör inom denna teknik för fiberdragning, där material sätts ihop, värms upp och dras som taffy till ultratunt. fibrer som bevarar den ursprungliga strukturen och funktionaliteten. Fink har delat med sitt labb både sin expertis och det fibersnurrande tornet, som erbjuder exakt kontroll och förmågan att reducera funktioner till en mikroskopisk nivå (se Demo).
Tack vare detta samarbete har hennes team införlivat optiska vågledare, elektroder och läkemedelstillförselkanaler i en enda fiber som kan vara lika tunn som ett människohår och tillräckligt flexibel för att lindas runt ett finger. Och kritiskt, dessa enheter avvisas inte av kroppen.
Den typen av förmåga kan hjälpa neuroforskare att försöka reda ut komplexa hjärnfunktioner hos möss. Guoping Feng, professor i hjärn- och kognitionsvetenskap vid MIT:s McGovern Institute, använder Anikeevas sonder för att studera psykiatriska sjukdomar som autism och tvångssyndrom. Hans arbete handlar om att titta på kommunikationen mellan neuroner i hjärnan och förhållandet mellan gener, hjärnkretsar och beteende. För att observera dessa processer hos levande djur måste forskare kunna manipulera specifika kretsar exakt och registrera aktivitet från de manipulerade cellerna. Med en tunn, multifunktionell enhet, säger han, kan du ha all kapacitet med minimal störning eller skada på hjärnvävnaderna.
Enheterna kan även användas i ryggmärgen, vilket är utmanande att komma åt och kräver en flexibel anordning eftersom den ofta rör sig och sträcker sig. Även om elektrisk stimulering av ryggmärgen kan framkalla rörelse hos förlamade djur och har använts kliniskt på människor med blygsamma resultat, säger Chet Moritz, professor i rehabiliteringsmedicin vid University of Washington i Seattle, att optisk stimulering skulle kunna möjliggöra mer exakt kontroll av specifika celler. Elstimulering är en ganska stor hammare, säger han. Med optogenetik kan du ha ganska högt förtroende för att du aktiverar en specifik krets.
Moritz arbetar med att stimulera den övre ryggmärgen - i slutändan för att återställa rörelser som att sträcka sig och greppa, vilket kräver mer finess än att gå. För att göra det måste han rikta in sig på specifika neuroner direkt. I samarbete med Anikeeva testar han möjligheten att använda ljus för att stimulera ryggmärgen hos råttor med ett öga mot att återuppliva förlamade lemmar.
Trådlös hjärnstimulering
Samtidigt söker Anikeeva teknologier som kan stimulera specifika hjärnområden utan några ledningar alls. I ett nytt papper i , demonstrerade hennes grupp en teknik som använder magnetiska fält och injicerade nanopartiklar för att aktivera celler djupt inne i hjärnorna på möss.
I denna process värms magnetiska nanopartiklar upp med hjälp av alternerande magnetfält, som lätt passerar genom hjärnvävnaden utan att påverka den. I decennier har forskare arbetat med tekniker för att injicera magnetiska nanopartiklar i tumörer och värma dem med magneter för att döda cancercellerna. Men i stället för att förstöra celler ville Anikeeva skapa en snabb värmeutbrott som skulle få nervceller att brinna.
Andra forskare har använt en liknande metod för att stimulera celler konstruerade för att uttrycka det värmekänsliga proteinet TRPV1. Men Anikeeva säger att cellerna i dessa studier svarade för långsamt för den typ av omedelbar stimulering hon vill uppnå.
Hennes team, ledd av doktorander Ritchie Chen, SM ’13, och Michael Christiansen, började modellera hur magnetiska nanopartiklar leder bort värme. Partiklarna anpassar sig till ett magnetfält och anpassar sig när dess riktning ändras, vilket frigör värme i processen. Modellerna visade att denna effekt var mer potent om storleken och formen på partiklarna matchade magnetfältets egenskaper. Genom att skräddarsy designen av både magnetspolarna och nanopartiklarna kunde forskarna producera mer värme snabbare.
Partiklarna är gjorda av järnoxid (används vanligen som kontrastmedel i MRI) och belagda med polymerer för att förhindra att kroppens immunsystem tar bort dem. Anikeevas team använde ett virus för att leverera genen för TRPV1 till celler i en specifik del av hjärnan hos möss. Sedan injicerade de samma region med nanopartiklarna. Under magnetfältet värmdes partiklarna upp, vilket fick de modifierade neuronerna att avfyras.
Anikeeva undersöker nu om en variation av magnetfälten och partiklarnas sammansättning kan göra det möjligt att rikta in sig på flera celltyper eller hjärnkretsar. Och medan den här studien använde genteknik för att få in ett värmekänsligt protein i musceller, säger hon att TRPV1 är utbredd i den mänskliga hjärnan, så sådant mixtrande kanske inte är nödvändigt för att använda tekniken på människor.
Denna demonstration, även om den är preliminär, pekar mot ett mycket mindre invasivt sätt att stimulera celler djupt inne i hjärnan. För närvarande behöver patienter som får djup hjärnstimulering för tillstånd som Parkinsons sjukdom operation för att implantera elektroder kopplade till ett externt batteri. Dessa möss fick en enkel injektion, och de magnetiska nanopartiklarna förblev aktiva en månad senare. En dag, föreställer hon sig, kunde patienter få ett magnetiskt läkemedel och tillbringa en föreskriven tid varje dag nära en magnetisk enhet.
Anikeevas grupp förfinar dessa teknologier och söker samarbetspartners som kommer att testa dem. Hon föreställer sig att använda mjuka polymersonder för att exakt kartlägga hjärnan, eller för att leverera ett läkemedel eller optisk stimulering och sedan övervaka dess effekt på cellaktivitet.
Hon är också mycket intresserad av att använda teknikerna som neurala gränssnitt för att behandla förlamande skador. När en vän drabbades av en allvarlig ryggmärgsskada under bergsklättring slogs Anikeeva av den primitiva tekniken för rehabilitering och återställande av rörelse. Det påverkade mitt forskningsprogram på väldigt djupgående sätt, säger hon.
Anikeeva är själv en entusiastisk bergsklättrare och distanslöpare och är särskilt intresserad av rörelse eftersom hon tycker att det är viktigt för sitt eget tänkande. Klättring är en stor och avgörande del av mitt liv, säger hon, och hon löser ofta problem medan hon springer i två eller tre timmar åt gången. Jag tränar aldrig med musik, säger hon. I grund och botten är det jag mot min hjärna.