211service.com
Kleine elektroden voor de hersenen
Een nieuw type polymeer nano-elektrode zou hersenimplantaten, waaronder die voor de behandeling van ernstige gevallen van Parkinson, veel veiliger kunnen maken, en het zou ook pogingen om het gezichtsvermogen en de beweging te herstellen met directe hersen-machine-interfaces haalbaarder kunnen maken. Rodolfo Llinas , hoogleraar neurowetenschappen aan de New York University, en onderzoekers van MIT hebben een nanodraadelektrode ontwikkeld van slechts 600 nanometer breed die signalen naar de hersenen kan verzenden en ontvangen.
NYU- en MIT-onderzoekers hebben een flexibele elektrode ontwikkeld die signalen van hersencellen kan verzenden of ontvangen. De elektrode kan via bloedvaten in de hersenen worden ingebracht, waardoor het niet nodig is om de schedel van een patiënt te openen voor sommige neurologische behandelingen. (Met dank aan Zina Deretsky, National Science Foundation.)
De door Llinas en collega's ontwikkelde elektrode is zo klein dat hij door een slagader, misschien in de arm of lies, kan worden ingebracht en naar de hersenen kan worden geregen. Omdat de elektrode slechts een fractie van de grootte van een rode bloedcel heeft en flexibel is, kan hij door de kleinste bloedvaten worden geslingerd, waardoor hij dicht genoeg bij neuronen diep in de hersenen komt om elektrische signalen te detecteren en af te geven.
[ Klik hier voor afbeeldingen van de elektrode in bloedvaten.]
Een huidige behandeling voor ernstige gevallen van Parkinson, diepe hersenstimulatie genaamd, omvat het implanteren van elektroden die hoogfrequente elektrische pulsen afgeven die delen van de hersenen uitschakelen die verantwoordelijk zijn voor de symptomen van de ziekte (zie Hersenpacemakers). Dergelijke behandelingen zijn echter riskant en duur, deels omdat ze vereisen dat de schedel van een patiënt wordt geopend om elektroden chirurgisch in hersenweefsel in te brengen.
De conventionele elektroden, die nu in millimeters meten, kunnen ook bloedvaten in de hersenen beschadigen, zegt Joseph Pancrazio, programmadirecteur voor neurale engineeringprojecten bij het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), een van de National Institutes of Health. Door gebruik te maken van de nanodimensies om de elektroden door het vaatstelsel te leiden, kun je het risico op een beroerte verminderen, zegt hij. Dit is een volledig out-of-the-box manier om na te denken over het mogelijk maken van diepe hersenstimulatie. Ik denk dat er voordelen kunnen zijn in termen van veiligheid, werkzaamheid, robuustheid en biocompatibiliteit. Het is zeker een gebied waar we serieus naar moeten kijken.
Het niet hoeven openen van de schedel zou een duidelijk voordeel zijn ten opzichte van wat we nu doen, zegt Jeff Bronstein , neuroloog aan de UCLA Medical School, die zegt dat duizenden Parkinsonpatiënten de diepe hersenstimulatieprocedures hebben ondergaan.
John Heiss, neurochirurg bij NINDS, waarschuwt dat eerst moet worden aangetoond dat de nanodraden geen complicaties veroorzaken, zoals bloedstolsels. Hij merkt ook op dat, hoewel het hoofd niet hoeft te worden geopend, een dergelijke procedure toch enige invasieve chirurgie vereist. Heiss zegt echter dat als de procedure veilig blijkt te zijn, het diepe hersenstimulatie een aantrekkelijker alternatief zou kunnen maken in eerdere stadia van Parkinson.
Naast gebruik bij diepe hersenstimulatie, zegt Llinas dat zijn elektroden signalen kunnen detecteren, bijvoorbeeld in het gebied van iemands hersenen dat verantwoordelijk is voor het sturen van armbewegingen. Deze signalen kunnen vervolgens worden gebruikt om een robotarm aan te drijven, waardoor sommige vermogens worden hersteld bij mensen die verlamd zijn door hersen- en ruggenmergletsel. Llinas zegt dat de eerste toepassing van de nanodraadelektroden kan zijn om zenuwimpulsen rond beschadigde delen van het ruggenmerg te leiden, ofwel naar andere zenuwen of rechtstreeks naar spieren, waardoor mogelijk de functie van verlamde ledematen wordt hersteld.
De nano-elektroden kunnen ook een rol spelen bij het verbeteren van de cochleaire implantaten die worden gebruikt om het gehoor te herstellen. Omdat de elektroden zo klein zijn, zou het mogelijk zijn om het aantal elektroden dat in een cochleair implantaat wordt gebruikt te vergroten, een breder gebied te stimuleren en meer kleur aan geluid te geven, zegt Patrick Anquetil , een postdoctoraal onderzoeker werktuigbouwkunde aan het MIT en een van de onderzoekers van het project. Hij zegt dat de eerste commerciële toepassingen van de nanodraadelektroden waarschijnlijk nog vijf jaar duren.
In de toekomst zijn de onderzoekers van plan om stuurbare elektroden te bouwen. Om dit te doen, zullen ze een polymeer gebruiken dat samentrekt als reactie op elektriciteit. Een bundel van dergelijke nanodraden zou kunnen worden gericht, door geselecteerde nanodraden te laten samentrekken.
De onderzoekers denken dat de bundel nanodraden uiteindelijk zichzelf deels kan sturen. Anquetil zegt polymeren te hebben gemaakt die als druksensoren fungeren en ze zien de mogelijkheid om halfgeleidende polymeren te gebruiken als basis voor eenvoudige elektrische schakelaars. Een ding dat ons hier echt enthousiast over maakt, is dat er in principe geen reden is waarom je met hetzelfde materiaal geen heel systeem kunt bouwen waarin je contractie, meting, detectie en berekening hebt.
Terwijl de eerste bundels relatief weinig elektroden zouden gebruiken, zouden er uiteindelijk duizenden kunnen worden gegroepeerd om een pakket te vormen dat niet breder is dan de sondes van 1-2 millimeter die volgens Llinas tegenwoordig in de hersenen worden gebruikt. Eenmaal in de buurt van het doelgebied, zouden de nanodraden kunnen scheiden. De draden zouden zich dan uitspreiden, in een vertakkend netwerk van haarvaten geduwd. Dit zou onderzoekers in staat stellen om individuele neuronen diep in de hersenen in een gedistribueerd gebied te volgen en impulsen te geven, een vermogen dat een zegen zou kunnen zijn voor hersenonderzoekers die nu beperkt zijn tot het gebruik van relatief kleine arrays van elektroden.