211service.com
Ett ultratunt hjärnimplantat övervakar anfall
Ett nytt, ultratunt, ultraflexibelt implantat laddat med sensorer kan registrera den elektriska stormen som bryter ut i hjärnan under ett anfall med nästan 50 gånger högre upplösning än vad som tidigare varit möjligt. Detaljnivån kan revolutionera epilepsibehandling genom att möjliggöra mindre invasiva procedurer för att upptäcka och behandla anfall. Det kan också leda till en djupare förståelse av hjärnans funktion och resultera i hjärn-dator-gränssnitt med oöverträffad kapacitet.
Hjärnkarta: En ultratunn uppsättning av elektroder, som visas överst som sätts in i hjärnan på en katt, möjliggör datainsamling mycket större än någonsin tidigare. I botten är elektroduppsättningen så flexibel att den kan vikas runt även de smalaste föremålen, vilket möjliggör enkel insättning och bra täckning av ojämna ytor.
För epilepsipatienter som inte svarar på medicin, kommer neurologer ofta att försöka kartlägga var i hjärnan anfallet uppstod så att regionen kan avlägsnas kirurgiskt. Läkaren tar bort en del av skallen och placerar en skrymmande sensoruppsättning på ytan av patientens frontala cortex.
Dessa kliniska enheter har inte förändrats mycket sedan 50- eller 60-talet, säger Brian Litt , en epilepsispecialist och bioingenjör vid University of Pennsylvania och en av forskarna som ledde den nya forskningen. Eftersom enheten måste rymma ledningar för varje elektrod har den bara plats för färre än 100 elektroder och ger en dålig upplösningsbild av den elektriska aktiviteten. Det är som att försöka förstå vad som händer i en folkmassa på Manhattan med en enda mikrofon upphängd i en helikopter, säger Litt.
Nuvarande teknik har stannat av vid en sensoruppsättning med cirka åtta sensorer per kvadratcentimeter; den nya arrayen – byggd i samarbete med John Rogers , en professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois Urbana-Champaign-kan passa 360 sensorer i samma mängd utrymme. För att skapa en liten enhet så tätt packad med sensorer, integrerade Rogers elektronik och kiseltransistorer i själva arrayen, vilket drastiskt minskade mängden ledningar.
Det här är mer som en grupp 360-mikrofoner, sänkta närmare ytan och inspelade från mycket mindre regioner: ett par personer i gathörnet, ett par vid brevlådan, säger Litt. Denna nya teknik kan vara nyckeln till att förstå funktionella nätverk i hjärnan, och kan till och med vara nyckeln till att behandla och eventuellt bota vissa sjukdomar.
I deras första test av enheten, på en katt med epilepsi, Litt, Rogers och doktorand Jonathan Viventi (nu en biträdande professor som studerar translationell neuroteknik vid New York University), såg något slående: en storm av aktivitet som såg ut som en självutbredningsspiralvåg. Mönstret, endast uppenbart med otroligt högupplöst inspelning, är anmärkningsvärt likt det som ses i hjärtmuskeln under ett livshotande tillstånd som kallas ventrikelflimmer.
Istället för att stora delar av hjärnan är ansvariga för anfall, något som Litt säger traditionellt har ansetts inträffa, verkar det istället härröra från flera kluster av mycket små områden, eller mikrodomäner, i cortex. Forskningen publicerades online förra veckan i Naturens neurovetenskap .
Utom kontroll: Ett epileptiskt anfall hos en katt, mätt med det nya elektrodtäta implantatet, visar en aldrig tidigare skådad spiralvåg av elektrisk aktivitet.
Det här är helt fantastiskt. Jag blev förvånad över den tekniska prestationen och de mycket starka och viktiga resultaten, säger Gerwin Schalk , en hjärna-datorgränssnittsforskare vid Wadsworth Center i Albany, New York. Schalk var inte involverad i forskningen. Det kommer att vara av enormt värde för grundläggande neurovetenskap och för translationell forskning. Schalk noterar att om tekniken visar sig hos människor kan den öppna upp betydande möjligheter för allt från diagnostik till hjärn-datorgränssnittsenheter.
Enheten kan också möjliggöra mindre invasiv testning och behandling. I stället för att skära upp en stor del av skallen för att placera en övervakningsenhet, säger Litt, kan det nya implantatet tillåta kirurger att borra bara ett litet hål genom vilket de kan glida den smala, upprullade sensorgruppen och veckla ut den på hjärnans yta. när den väl är inne. Och istället för att ta bort områden i hjärnan som är lika stora som en golfboll, kan det vara möjligt att bara ta bort mikrodomänerna och lämna resten av cortex intakt.
Den nuvarande versionen av enheten är en kvadratcentimeter; för mänskligt bruk måste forskarna utöka den till cirka åtta kvadratcentimeter. En startup som heter MC10 kommer att arbeta med att göra den större och produktionsklar.
Litt och Rogers arbetar nu med att skapa ett implantat med stimulatorer inbäddade bredvid sensorerna. Om de kan bygga en enhet som inte bara upptäcker början av ett anfall utan lika snabbt kan ge elektrisk stimulans för att stoppa den, kan forskningen få stor klinisk effekt. Detta är inte bara ett forskningsverktyg. Den har ett tydligt definierat användningssätt i den kliniska miljön, säger Rogers. Detta är ett stycke biointegrerad elektronik som är oöverträffad i sin funktionalitet, och beviset finns i puddingen.