211service.com
Een hersenimplantaat dat licht gebruikt
Onderzoekers van Medtronic ontwikkelen een prototype neuraal implantaat dat licht gebruikt om het gedrag van neuronen in de hersenen te veranderen. Het apparaat is gebaseerd op de opkomende wetenschap van optogenetische neuromodulatie, waarbij specifieke hersencellen genetisch worden gemanipuleerd om op licht te reageren. Medtronic, 's werelds grootste fabrikant van biomedische technologieën, wil het apparaat gebruiken om beter te begrijpen hoe elektrische therapieën, die momenteel worden gebruikt voor de behandeling van Parkinson en andere aandoeningen, de symptomen van deze ziekten verlichten. Wetenschappers van Medtronic zeggen dat ze de bevindingen zullen gebruiken om de elektrische stimulatoren die het bedrijf al verkoopt te verbeteren, maar anderen hopen uiteindelijk optische therapieën rechtstreeks als behandelingen te gebruiken.
Lichttherapie: Een neuron (groen) dat is ontworpen om een lichtgevoelig eiwit tot expressie te brengen, vuurt in reactie op specifieke golflengten van licht. Een glazen elektrode (linksonder) registreert de elektrische respons van het neuron. Onderzoekers van Medtronic gebruikten dit systeem om te bevestigen dat een nieuwe implanteerbare stimulator neuronen goed kan activeren met licht.
De huidige neurale implantaten werken door afgemeten doses elektrische stimulatie af te geven via een dunne elektrode die operatief door een klein gaatje in de schedel van een patiënt wordt ingebracht, met de punt geïmplanteerd in een gelokaliseerd hersengebied. Sinds de Amerikaanse Food and Drug Administration dergelijke apparaten voor hersenstimulatie heeft goedgekeurd en de op elektriciteit gebaseerde behandeling die ze leveren – genaamd Deep Brain Stimulation (DBS) – voor een aandoening die essentiële tremor wordt genoemd in 1997, voor de ziekte van Parkinson in 2002 en voor dystonie in 2003, meer dan 75.000 mensen hebben ze laten installeren. Men denkt dat de elektrische pulsen de abnormale neurale activiteit tegengaan die het gevolg is van verschillende ziekten, hoewel artsen weinig weten over hoe DBS werkt.
Ondanks hun succes hebben dergelijke neurale prothesen ernstige nadelen. Afgezien van het botte feit van hun fysieke locatie, stimuleren ze willekeurig neuronen in de buurt van de elektrode. Die overactiviteit kan duizeligheid, tintelingen en andere bijwerkingen veroorzaken. Bovendien produceren ze elektrische ruis die het volgen van stillere neurale signalen bemoeilijkt en het gelijktijdige gebruik van scansystemen zoals MRI praktisch onmogelijk maakt, wat op zijn beurt voorkomt dat onderzoekers enig bewijs krijgen over hoe DBS werkelijk werkt.
In de afgelopen jaren hebben wetenschappers een manier ontwikkeld om neuronen te stimuleren met behulp van licht in plaats van elektriciteit. Onderzoekers introduceren eerst een gen voor een lichtgevoelig molecuul, channelrhodopsin 2 (ChR2) genaamd, in een specifieke subset van neuronen. Door blauw licht op deze neuronen te laten schijnen, gaan ze vuren. Een voordeel van deze benadering is de specificiteit: alleen de neuronen met het gen worden geactiveerd. Het biedt ook een manier om neuronen uit te schakelen - de introductie van een ander molecuul, halorhodopsine (NpHR), brengt de cellen tot zwijgen als reactie op geel licht. Dat is het andere unieke aan deze aanpak, zegt Tim Denison, senior IC engineering manager in de neuromodulatiedivisie van Medtronic. Het stelt ons in staat om de activiteit van neuronen tot zwijgen te brengen, wat buitengewoon moeilijk is met elektrostimulatie.
Terwijl academische wetenschappers nieuwe hulpmiddelen ontwikkelen om de hersenen van licht te voorzien, ontwikkelt Medtronic een optogenetisch gebaseerd implantaat voor commercieel gebruik. De module, die ongeveer de grootte en vorm heeft van een kleine USB-stick, heeft draadloze datalinks, een energiebeheereenheid, een microcontroller en een optische stimulator. Het gebruikt een glasvezeldraad om het licht van een blauwe of groene LED naar de doelneuronen in de hersenen te sturen. Het bedrijf is van plan het apparaat op de markt te brengen voor neurowetenschappelijke onderzoekers en het te gebruiken voor intern onderzoek naar de effecten van DBS.
Wetenschappers van Medtronic benadrukken het zeer vroege karakter van het apparaat. Dit is onderzoek voor gebruik met diermodellen en is momenteel nog niet klaar voor enige vorm van menselijke vertaling, benadrukt Denison. Toch vervolgt hij: Wat opwindend is, is dat therapieën vandaag de dag nog steeds gebaseerd zijn op deze elektrisch gebaseerde ideeën uit de 19e eeuw. Nu biedt deze nieuwe, ontwrichtende technologie een unieke interface naar het zenuwstelsel.
Tegenwoordig passen meer dan 500 laboratoria optogenetische hulpmiddelen toe op diermodellen van Parkinson, blindheid, ruggengraatletsel, depressie, narcolepsie, verslaving en geheugen. Medtronic, dat zijn bedrijf heeft opgebouwd door baanbrekende marktimplementatie van medisch onderzoek, heeft uitgebreid overleg gepleegd met optogenetische pioniers Karl Deisseroth van Stanford en Ed Boyden van MIT om een implantaat te bouwen om deze nieuwe wetenschap te ondersteunen. (Boyden is af en toe een columnist voor Technologie beoordeling .)
Om het onderzoeksimplantaat om te zetten in een klinisch apparaat, zullen Medtronic of anderen manieren moeten vinden om de noodzakelijke genen veilig af te leveren aan specifieke neurale circuits in de hersenen. Denison zegt dat hij denkt dat de ontwikkeling van praktische optogenetische therapieën voor menselijke patiënten geleidelijk zal verlopen. Eerlijk gezegd is dit een technologie waar ik mijn zoon aan zie werken als medewerker van Medtronic, zegt hij.
Boyden van MIT voorziet echter een meer versnelde ontwikkeling: ik denk dat het meer in de periode van drie tot tien jaar is, zegt hij. Boyden is medeoprichter van een bedrijf, Eos, om gentherapieën te ontwikkelen om blindheid te genezen. (Omdat het op het oog is gericht, zou voor deze therapie geen implantaat nodig zijn.) Jerry Silver van Case-Western University heeft een startup, LucCell, die zich richt op dergelijke therapieën om de beschadigde ruggenmergfunctie te herstellen. Gentherapie is een rijpend veld, zegt Silver. Er is een virustype genaamd AAV -adeno-geassocieerd virus - dat natuurlijk is, dat we bijna allemaal al dragen, dat geen symptomen heeft en dat al bij vele honderden patiënten is gebruikt zonder een enkele ernstige bijwerking.
Over het algemeen concludeert Boyden: Bij veel neurale of psychiatrische stoornissen heeft een zeer klein deel van de hersencellen zeer grote veranderingen - Parkinson is de dood van misschien een paar duizend cellen. Als je met optogenetica die stroomafwaartse doelen kunt corrigeren zonder alle 'normale neuronen' te veranderen - tussen aanhalingstekens - zou je ons huidige probleem kunnen oplossen, namelijk dat elk medicijn voor de behandeling van hersenaandoeningen zeer ernstige bijwerkingen heeft en neurale implantaten extreem botte instrumenten zijn . Dus dat is de hoop.