211service.com
Små elektroder för hjärnan
En ny typ av polymer nanoelektrod kan göra hjärnimplantat, inklusive de som används för att behandla allvarliga fall av Parkinsons, mycket säkrare, och det kan också göra försök att återställa syn och rörelse med direkta hjärn-maskin-gränssnitt mer genomförbara. Rodolfo Llinas , professor i neurovetenskap vid New York University, och forskare vid MIT har utvecklat en nanotrådselektrod bara 600 nanometer bred som kan skicka och ta emot signaler till hjärnan.
NYU- och MIT-forskare har utvecklat en flexibel elektrod som kan skicka eller ta emot signaler från hjärnceller. Elektroden kan föras in i hjärnan genom blodkärl, vilket eliminerar behovet av att öppna en patients skalle för vissa neurologiska behandlingar. (Med tillstånd av Zina Deretsky, National Science Foundation.)
Elektroden som utvecklats av Llinas och medarbetare är så liten att den kan föras in genom en artär, kanske i armen eller ljumsken, och träs upp till hjärnan. Eftersom elektroden är en liten bråkdel av storleken på en röd blodkropp och flexibel, kan den föras genom de minsta blodkärlen och komma tillräckligt nära neuroner djupt i hjärnan för att upptäcka och leverera elektriska signaler.
[ Klicka här för bilder av elektroden i blodkärlen.]
En aktuell behandling för svåra fall av Parkinsons, kallad djup hjärnstimulering, involverar implantering av elektroder som levererar högfrekventa elektriska pulser som stänger av delar av hjärnan som är ansvariga för sjukdomens symtom (se Hjärnpacemakers). Sådana behandlingar är dock riskabla och dyra, delvis eftersom de kräver att en patients skalle öppnas för att kirurgiskt föra in elektroder i hjärnvävnaden.
De konventionella elektroderna, som nu mäter i millimeter, kan också skada blodkärl i hjärnan, säger Joseph Pancrazio, programchef för neurala tekniska projekt vid National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), ett av National Institutes of Health. Genom att dra nytta av nanodimensionerna för att trä elektroderna genom kärlsystemet kan du minska risken för stroke, säger han. Detta är ett helt out-of-the-box sätt att tänka på att möjliggöra djup hjärnstimulering. Jag tror att det kan finnas fördelar när det gäller säkerhet, effektivitet, robusthet och biokompatibilitet. Det är verkligen ett område som vi måste se allvarligt på.
Att inte behöva öppna skallen skulle vara en klar fördel jämfört med vad vi nu gör, säger Jeff Bronstein , neurolog vid UCLA Medical School, som säger att tusentals Parkinsonspatienter har genomgått de djupa hjärnstimuleringsprocedurerna.
John Heiss, en neurokirurg vid NINDS, varnar för att det först kommer att bli nödvändigt att visa att nanotrådarna inte orsakar komplikationer, såsom blodproppar. Han noterar också att även om huvudet inte skulle behöva öppnas, skulle en sådan procedur fortfarande kräva viss invasiv kirurgi. Heiss säger dock att om proceduren visar sig vara säker kan den göra djup hjärnstimulering till ett mer attraktivt alternativ i tidigare stadier av Parkinsons.
Utöver användning i djup hjärnstimulering, säger Llinas att hans elektroder kan upptäcka signaler, till exempel i det område av en persons hjärna som är ansvarig för att styra armrörelser. Dessa signaler kan sedan användas för att driva en robotarm och återställa vissa förmågor till personer som är förlamade av hjärn- och ryggmärgsskador. Llinas säger att den första tillämpningen av nanotrådselektroderna kan vara att dirigera nervimpulser runt skadade områden i ryggmärgen, antingen till andra nerver eller direkt till musklerna, vilket möjligen återställer funktionen till förlamade lemmar.
Nanoelektroderna kan också spela en roll för att förbättra de cochleaimplantat som används för att återställa hörseln. Eftersom elektroderna är så små kan det vara möjligt att öka antalet elektroder som används i ett cochleaimplantat, för att stimulera en bredare region och ge mer färg till ljudet, säger Patrick Anquetil , en postdoktor i maskinteknik vid MIT och en av forskarna i projektet. Han säger att de första kommersiella användningarna av nanotrådselektroderna förmodligen fortfarande är fem år bort.
I framtiden planerar forskarna att bygga styrbara elektroder. För att göra detta kommer de att använda en polymer som drar ihop sig som svar på elektricitet. Ett knippe av sådana nanotrådar skulle kunna riktas genom att få utvalda nanotrådar att dra ihop sig.
Forskarna tror att bunten av nanotrådar så småningom delvis kunde styra sig själv. Anquetil säger att de har gjort polymerer som fungerar som trycksensorer och de ser möjligheten att använda halvledande polymerer som grunden för enkla elektriska brytare. En sak som verkligen upphetsar oss med detta är i princip att det inte finns någon anledning till varför du med samma material inte kan bygga ett helt system där du har sammandragning, mätning, avkänning och beräkning.
Medan de första buntarna skulle använda relativt få elektroder, kunde tusentals så småningom grupperas tillsammans för att bilda ett paket som inte är bredare än de 1-2 millimeterssonder som Llinas säger används idag i hjärnan. Väl nära det riktade området skulle nanotrådarna tillåtas separera. Ledningarna skulle sedan breda ut sig, tryckas in i ett förgrenat nätverk av kapillärer. Detta skulle tillåta forskare att övervaka och leverera impulser till individuella neuroner djupt inne i hjärnan i ett distribuerat område, en förmåga som kan visa sig vara en välsignelse för hjärnforskare nu begränsad till att använda relativt små uppsättningar av elektroder.