211service.com
Ett hjärnimplantat som använder ljus
Forskare vid Medtronic utvecklar en prototyp av neurala implantat som använder ljus för att ändra beteendet hos neuroner i hjärnan. Enheten är baserad på den framväxande vetenskapen om optogenetisk neuromodulering, där specifika hjärnceller är genetiskt modifierade för att svara på ljus. Medtronic, världens största tillverkare av biomedicinsk teknik, strävar efter att använda enheten för att bättre förstå hur elektriska terapier, som för närvarande används för att behandla Parkinsons och andra sjukdomar, dämpar symtomen på dessa sjukdomar. Medtronics forskare säger att de kommer att använda resultaten för att förbättra de elektriska stimulatorer som företaget redan säljer, men andra hoppas i slutändan kunna använda optiska terapier direkt som behandlingar.
Ljusterapi: En neuron (grön) konstruerad för att uttrycka ett ljuskänsligt protein bränder som svar på specifika våglängder av ljus. En glaselektrod (nedre vänstra hörnet) registrerar neurons elektriska svar. Forskare från Medtronic använde detta system för att bekräfta att en ny implanterbar stimulator korrekt kan aktivera neuroner med ljus.
Dagens neurala implantat fungerar genom att leverera uppmätta doser av elektrisk stimulering via en tunn elektrod som kirurgiskt sätts in genom ett litet hål i en patients skalle, med spetsen implanterad i ett lokaliserat hjärnområde. Sedan US Food and Drug Administration godkände sådana hjärnpaceranordningar och den elektriskt baserade behandling som de levererar – kallad Deep Brain Stimulation (DBS) – för en sjukdom som kallas essentiell tremor 1997, för Parkinsons sjukdom 2002 och för dystoni 2003, över 75 000 personer har fått dem installerade. De elektriska pulserna tros motverka den onormala neurala aktiviteten som är resultatet av olika sjukdomar, även om läkare vet lite om hur DBS fungerar.
Trots deras framgång har sådana neurala proteser allvarliga nackdelar. Utöver det trubbiga faktumet med deras fysiska platser, stimulerar de neuroner nära elektroden urskillningslöst. Den överaktiviteten kan utlösa yrsel, stickningar och andra biverkningar. Dessutom producerar de elektriskt brus som gör spårning av tystare neurala signaler svårt och samtidig användning av skanningssystem som MRI praktiskt taget omöjlig, vilket i sin tur hindrar forskare från att få några bevis om hur DBS faktiskt fungerar.
Under de senaste åren har forskare utvecklat ett sätt att stimulera nervceller med hjälp av ljus snarare än elektricitet. Forskare introducerar först en gen för en ljuskänslig molekyl, kallad channelrhodopsin 2 (ChR2), i en specifik undergrupp av neuroner. Lysande blått ljus på dessa nervceller får dem sedan att avfyras. En fördel med detta tillvägagångssätt är dess specificitet - endast neuronerna med genen aktiveras. Det ger också ett sätt att stänga av neuroner – genom att introducera en annan molekyl, halorhodopsin (NpHR), tystar cellerna som svar på gult ljus. Det är det andra unika med detta tillvägagångssätt, säger Tim Denison, senior IC-ingenjörschef i Medtronics neuromodulationsdivision. Det tillåter oss att tysta neuronernas aktivitet, vilket är utomordentligt svårt med elektrostimulering.
Medan akademiska forskare utvecklar nya verktyg för att leverera ljus till hjärnan, utvecklar Medtronic ett optogenetiskt baserat implantat för kommersiellt bruk. Modulen, som har ungefär samma storlek och form som ett litet USB-minne, har trådlösa datalänkar, en strömhanteringsenhet, en mikrokontroller och en optisk stimulator. Den använder en fiberoptisk tråd för att rikta ljus från en blå eller grön lysdiod mot målneuroner i hjärnan. Företaget planerar att marknadsföra enheten till neurovetenskapliga forskare och använda den för intern forskning om effekterna av DBS.
Medtronics forskare betonar enhetens mycket tidiga natur. Detta är forskning för användning med djurmodeller och inte redo för någon form av mänsklig översättning för närvarande, betonar Denison. Ändå fortsätter han: Det som är spännande är att terapier idag förblir baserade på dessa elektriskt baserade idéer från 1800-talet. Nu erbjuder denna nya, störande teknik ett unikt gränssnitt till nervsystemet.
Idag använder över 500 laboratorier optogenetiska verktyg på djurmodeller av Parkinsons, blindhet, ryggradsskada, depression, narkolepsi, missbruk och minne. Medtronic, som har byggt upp sin verksamhet genom banbrytande marknadsimplementering av medicinsk forskning, har konsulterat omfattande med optogenetiska pionjärer Karl Deisseroth av Stanford och Ed Boyden från MIT för att bygga ett implantat för att stödja denna nya vetenskap. (Boyden är en och annan kolumnist för Teknikgranskning .)
För att omvandla forskningsimplantatet till en klinisk anordning kommer Medtronic eller andra att behöva hitta sätt att säkert leverera de nödvändiga generna till specifika neurala kretsar i hjärnan. Denison säger att han tror att utvecklingen av praktiska optogenetikbaserade terapier för mänskliga patienter kommer att ske gradvis. Uppriktigt sagt är det här en teknik som jag kan se min son arbeta på som Medtronic-anställd, säger han.
MIT:s Boyden föreställer sig dock en mer accelererad utveckling: jag tror att det är mer på tre till tio år, säger han. Boyden har varit med och grundat ett företag, Eos , för att utveckla genterapier för att bota blindhet. (Eftersom den riktar sig mot ögat, skulle denna terapi inte kräva ett implantat.) Jerry Silver från Case-Western University har en startup, LucCell , som syftar till sådana terapier för att återställa skadad ryggmärgsfunktion. Genterapi är ett mognande fält, säger Silver. Det finns en virustyp som heter AAV –adenoassocierat virus – som är naturligt, som nästan alla av oss redan bär på, som inte har några symtom och som redan har använts på många hundra patienter utan en enda allvarlig biverkning.
Sammantaget drar Boyden slutsatsen: I många neurala eller psykiatriska störningar har en mycket liten del av hjärncellerna mycket stora förändringar – Parkinsons är kanske några tusen cellers död. Om du med optogenetik kan korrigera dessa nedströmsmål utan att ändra alla 'normala neuroner' – inom citattecken – skulle du kunna lösa vårt nuvarande problem, som är att varje läkemedel för behandling av hjärnsjukdomar har mycket allvarliga biverkningar och neurala implantat är extremt trubbiga instrument . Så det är hoppet.