211service.com
Injecteerbare draden voor het repareren van de hersenen
Nieuwe behandelingen voor neurologische aandoeningen zijn mogelijk met een flexibel gaas dat individuele hersencellen kan prikkelen. 13 oktober 2016
In een kelderlaboratorium aan de Harvard University golven een paar strengen dun draadgaas op de bodem van een kopje water, als in een minuscule lintdans. De mazen - ongeveer de lengte van een pendop - kunnen iets ongekends doen: als ze eenmaal in de hersenen van een levende muis zijn geïnjecteerd, kunnen ze veilig individuele neuronen stimuleren en het gedrag van de cellen gedurende meer dan een jaar meten.
Elektronische herseninterfaces zoals deze kunnen ooit cruciaal zijn voor mensen met neurologische aandoeningen zoals Parkinson. De ziekte zorgt ervoor dat een groep neuronen in een deel van de hersenen begint af te sterven, wat leidt tot oncontroleerbare trillingen en schokken. Het sturen van gerichte elektrische schokken naar dit gebied kan helpen de levende neuronen weer in vorm te krijgen en de symptomen van Parkinson te stoppen.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2016
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Tegenwoordig kunnen mensen een elektrische behandeling ondergaan die diepe hersenstimulatie wordt genoemd. Maar het heeft grote beperkingen. Het omvat het implanteren van stijve, dichte elektroden in de hersenen. Dat is verre van ideaal in zo'n zacht orgaan: na ongeveer vier weken begint er littekenweefsel op te bouwen. De enige manier om de elektroden door dit weefsel te laten werken, is door de spanning te verhogen die wordt gebruikt om de neuronen te prikkelen. Dat kan gevaarlijk zijn en soms is er nog een operatie nodig om het implantaat te vervangen.
Charles Lieber, een pionier op het gebied van scheikunde en nanomaterialen van Harvard, had een ander idee: een geleidende herseninterface die de fijne details van de hersenen zelf weerspiegelt. Net zoals neuronen zich met elkaar verbinden in een netwerk met open ruimtes waar eiwitten en vloeistoffen doorheen gaan, laten de arceringen in Lieber's buigbare mesh-elektronica ruimte voor neuronen om erin te passen, in plaats van opzij te worden geduwd door een boxy vreemd voorwerp. Dit apparaat vervaagt effectief de interface tussen een levend systeem en een niet-levend systeem, zegt Guosong Hong, een postdoc in het lab van Lieber.
Het extreem flexibele gaas, gemaakt van gouden draden die zijn ingeklemd tussen lagen van een polymeer, rolt gemakkelijk in een naald zodat het kan worden geïnjecteerd in plaats van geïmplanteerd, waardoor een uitgebreidere operatie wordt vermeden. Een deel van het gaas steekt door de hersenen en een gat in de schedel zodat het kan worden aangesloten op een computer die de elektrische schokken regelt en de activiteit van de neuronen meet. Maar uiteindelijk, zegt Lieber, zouden de bedieningselementen en de voeding in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd, zoals in de huidige systemen voor diepe hersenstimulatie.
De onderzoekers voorzien dat het gaas vele toepassingen zal hebben buiten Parkinson. Het zou kunnen helpen om depressie en schizofrenie nauwkeuriger te behandelen dan de huidige medicijnen, die de hele hersenen in chemicaliën baden en een reeks bijwerkingen veroorzaken.
Eerst moet het echter op mensen worden getest. De groep van Lieber werkt samen met artsen van het Massachusetts General Hospital en zal binnenkort beginnen met experimenten bij mensen met epilepsie.
Links: De mesh-elektronica - lijnen van goud tussen lagen van een polymeer - worden in batches geproduceerd op een siliciumwafel.
Rechts: deze close-up van het gaas toont een pad in het midden dat neuronen stimuleert. Kleinere pads meten hun activiteit.
Het apparaat is flexibel genoeg om met een naald te worden geïnjecteerd. De netachtige structuur voorkomt dat het neuronen te veel verstoort als het eenmaal is geïmplanteerd.
Links: Zoals hier in water is aangetoond, is het gaas in de hersenen extreem flexibel.
Rechts: uit de hersenen (of water) wordt de structuur slap.
Het geïmplanteerde apparaat maakt verbinding met een computer, die de elektrische schokken regelt en het gedrag van de neuronen registreert.
Een pagina uit 2007 uit Liebers notitieboekje toont zijn eerste conceptie van het gaas.