211service.com
Injicerbara trådar för att fixera hjärnan
Nya behandlingar för neurologiska sjukdomar kan vara möjliga med ett flexibelt nät som kan provocera enskilda hjärnceller. 13 oktober 2016
I ett källarlaboratorium vid Harvard University böljar några trådar av tunt trådnät på botten av en kopp vatten, som i en mycket liten banddans. Nätmaskorna – ungefär lika långa som en pennkåpa – kan göra något oöverträffat: när de väl injicerats i hjärnan på en levande mus kan de säkert stimulera individuella neuroner och mäta cellernas beteende i mer än ett år.
Elektroniska hjärngränssnitt som dessa kan en dag vara avgörande för personer med neurologiska sjukdomar som Parkinsons. Sjukdomen gör att en grupp nervceller i ett område av hjärnan börjar dö ut, vilket utlöser okontrollerbara skakningar och skakningar. Att skicka riktade elektriska stötar till detta område kan hjälpa till att piska de levande neuronerna tillbaka i form och stoppa Parkinsons symptom.
Den här historien var en del av vårt novembernummer 2016
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Idag kan människor genomgå en elektrisk behandling som kallas djup hjärnstimulering. Men det har stora begränsningar. Det går ut på att implantera stela, täta elektroder i hjärnan. Det är långt ifrån idealiskt i ett så mjukt organ: efter cirka fyra veckor börjar ärrvävnad att byggas upp. Det enda sättet att få elektroderna att arbeta genom denna vävnad är att fortsätta höja spänningen som används för att excitera nervcellerna. Det kan vara farligt, och ibland krävs ytterligare en operation för att ersätta implantatet.
Charles Lieber, en Harvard-kemist och pionjär inom nanomaterial, hade en annan idé: ett ledande hjärngränssnitt som speglar de fina detaljerna i själva hjärnan. Precis som neuroner ansluter till varandra i ett nätverk som har öppna utrymmen där proteiner och vätskor passerar igenom, lämnar kryssruckorna i Liebers böjbara mesh-elektronik utrymme för neuroner att passa in, snarare än att tryckas åt sidan av ett boxigt främmande föremål. Den här enheten suddar effektivt ut gränssnittet mellan ett levande system och ett icke-levande system, säger Guosong Hong, en postdoc i Liebers labb.
Det extremt flexibla nätet, gjord av guldtrådar inklämda mellan lager av en polymer, lindas lätt ihop till en nål så att den kan injiceras snarare än implanteras, vilket undviker en mer omfattande operation. En del av nätet sticker ut genom hjärnan och ett hål i skallen så att det kan kopplas till en dator som kontrollerar de elektriska stötarna och mäter neuronernas aktivitet. Men så småningom, säger Lieber, kan kontrollerna och strömförsörjningen implanteras i kroppen, som de är i dagens system för djup hjärnstimulering.
Forskarna förutser att nätet har många användningsområden utöver Parkinsons. Det kan hjälpa till att behandla depression och schizofreni mer exakt än dagens läkemedel, som badar hela hjärnan i kemikalier och orsakar en rad biverkningar.
Först måste det dock testas på människor. Liebers grupp samarbetar med läkare vid Massachusetts General Hospital och kommer snart att påbörja experiment på personer med epilepsi.
Vänster: Nätelektroniken – linjer av guld mellan lager av en polymer – produceras i omgångar på en kiselskiva.
Höger: Denna närbild av nätet visar en dyna i mitten som stimulerar nervceller. Mindre dynor mäter sin aktivitet.
Enheten är tillräckligt flexibel för att injiceras med en nål. Den nätliknande strukturen hindrar den från att störa neuroner för mycket när den väl har implanterats.
Vänster: Som visat här i vatten är nätet extremt flexibelt en gång i hjärnan.
Höger: Ut ur hjärnan (eller vattnet) blir strukturen slapp.
Den implanterade enheten ansluts till en dator, som kontrollerar de elektriska stötarna och registrerar neuronernas beteende.
En sida från 2007 från Liebers anteckningsbok visar hans första uppfattning om nätet.