Een ultradun hersenimplantaat bewaakt aanvallen

Een nieuw, ultradun, ultraflexibel implantaat geladen met sensoren kan de elektrische storm die tijdens een aanval in de hersenen losbarst, registreren met een bijna 50 keer grotere resolutie dan voorheen mogelijk was. Het detailniveau zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de epilepsiebehandeling door minder invasieve procedures toe te staan ​​om aanvallen te detecteren en te behandelen. Het zou ook kunnen leiden tot een dieper begrip van de hersenfunctie en resulteren in hersen-computerinterfaces met een ongekende capaciteit.

Hersenkaart: Een ultradunne reeks elektroden, bovenaan weergegeven, ingebracht in de hersenen van een kat, maakt data-acquisitie veel groter dan ooit mogelijk. Aan de onderkant is de elektrode-array zo flexibel dat hij zelfs om de dunste objecten kan worden gevouwen, waardoor hij gemakkelijk kan worden ingebracht en oneffen oppervlakken goed kunnen worden afgedekt.

Voor epilepsiepatiënten die niet reageren op medicatie, zullen neurologen vaak proberen in kaart te brengen waar in de hersenen de aanval is ontstaan, zodat die regio operatief kan worden verwijderd. De arts verwijdert een deel van de schedel en plaatst een omvangrijke sensorarray op het oppervlak van de frontale cortex van de patiënt.

Deze klinische apparaten zijn niet veel veranderd sinds de jaren '50 of '60, zegt Brian Litt , een epilepsiespecialist en bio-ingenieur aan de Universiteit van Pennsylvania en een van de wetenschappers die het nieuwe onderzoek leidde. Omdat het apparaat voor elke elektrode draden moet opnemen, heeft het slechts ruimte voor minder dan 100 elektroden en geeft het een slecht oplossend beeld van de elektrische activiteit. Het is alsof je probeert te begrijpen wat er in een menigte in Manhattan gebeurt met een enkele microfoon die aan een helikopter hangt, zegt Litt.

De huidige technologie is tot stilstand gekomen bij een sensorarray met ongeveer acht sensoren per vierkante centimeter; de nieuwe array—gebouwd in samenwerking met John Rogers , een professor in materiaalkunde en engineering aan de University of Illinois Urbana-Champaign, kan 360 sensoren in dezelfde hoeveelheid ruimte passen. Om een ​​klein apparaat te creëren dat zo dicht opeengepakt is met sensoren, integreerde Rogers elektronica en siliciumtransistors in de array zelf, waardoor de hoeveelheid bedrading drastisch werd verminderd.

Dit lijkt meer op een reeks van 360 microfoons, dichter bij het oppervlak neergelaten en opgenomen vanuit veel kleinere regio's: een paar mensen op de hoek van de straat, een paar bij de brievenbus, zegt Litt. Deze nieuwe techniek zou de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen van functionele netwerken in de hersenen, en zou zelfs de sleutel kunnen zijn tot het behandelen en mogelijk genezen van sommige ziekten.

In hun eerste test van het apparaat, op een kat met epilepsie, Litt, Rogers en afgestudeerde student Jonathan Viventi (nu een assistent-professor die translationele neuro-engineering studeert aan de New York University), zag iets opvallends: een storm van activiteit die eruitzag als een zichzelf voortplantende spiraalgolf. Het patroon, dat alleen zichtbaar is bij opnames met een ongelooflijk hoge resolutie, is opmerkelijk vergelijkbaar met het patroon dat wordt gezien in de hartspier tijdens een levensbedreigende aandoening die ventriculaire fibrillatie wordt genoemd.

In plaats van dat grote delen van de hersenen verantwoordelijk zijn voor aanvallen, wordt volgens Litt traditioneel gedacht dat het voorkomt, maar lijkt het voort te komen uit meerdere clusters van zeer kleine gebieden, of microdomeinen, in de cortex. Het onderzoek is vorige week online gepubliceerd in Natuur Neurowetenschap .

Uit de hand: Een epileptische aanval bij een kat, gemeten door het nieuwe implantaat met een hoge elektrodedichtheid, toont een nooit eerder geziene spiraalvormige golf van elektrische activiteit.

Dit is absoluut geweldig. Ik stond versteld van de technische prestatie en de zeer sterke en belangrijke resultaten, zegt Gerwin Schalk , een hersen-computer interface-onderzoeker in het Wadsworth Center in Albany, New York. Schalk was niet betrokken bij het onderzoek. Het zal van enorme waarde zijn voor de fundamentele neurowetenschappen en voor translationeel onderzoek. Schalk merkt op dat als de technologie zichzelf bewijst bij mensen, dit substantiële mogelijkheden kan bieden voor alles, van diagnostiek tot brain-computer interface-apparaten.

Het apparaat kan ook minder invasieve testen en behandelingen mogelijk maken. In plaats van een groot deel van de schedel open te snijden om een ​​bewakingsapparaat te plaatsen, zou het nieuwe implantaat chirurgen in staat kunnen stellen om slechts een klein gaatje te boren waardoor de slanke, opgerolde sensorarray kan worden geschoven en op het oppervlak van de hersenen kan worden ontplooid. als het eenmaal binnen is. En in plaats van hersengebieden ter grootte van een golfbal te verwijderen, is het misschien mogelijk om gewoon de microdomeinen te verwijderen en de rest van de cortex intact te laten.

De huidige versie van het toestel is één vierkante centimeter; voor menselijk gebruik moeten onderzoekers het uitbreiden tot ongeveer acht vierkante centimeter. Een startup genaamd MC10 zal eraan werken om het groter en productieklaar te maken.

Litt en Rogers werken nu aan het maken van een implantaat met stimulatoren die naast de sensoren zijn ingebed. Als ze een apparaat kunnen bouwen dat niet alleen het begin van een aanval detecteert, maar net zo snel elektrische stimulatie kan geven om het te onderdrukken, kan het onderzoek een grote klinische impact hebben. Dit is niet zomaar een onderzoeksinstrument. Het heeft een duidelijk gedefinieerde gebruikswijze in de klinische setting, zegt Rogers. Dit is een stukje bio-geïntegreerde elektronica die ongeëvenaard is in zijn functionaliteit, en het bewijs is in de pudding.

zich verstoppen