Parkinsono ligai ir kitiems neurologiniams sutrikimams gydyti dažnai taikoma gilioji smegenų stimuliacija implantuotais elektrodais, siunčiančiais elektros impulsus į smegenis. Tačiau šiam gydymui naudojami elektrodai ilgainiui gali korozuoti ir kaupti randų audinį, todėl juos reikia pašalinti.
MIT mokslininkai dabar sukūrė alternatyvų metodą, pagal kurį naudojamas ultragarsas, o ne elektra, siekiant atlikti gilų smegenų stimuliavimą, perduodamą maždaug žmogaus plauko storio pluoštu. Tyrime su pelėmis jie parodė, kad ši stimuliacija gali paskatinti neuronus išleisti dopaminą toje smegenų dalyje, kuri dažnai yra skirta Parkinsono liga sergantiems pacientams.
„Naudodami ultragarsą galime sukurti naują būdą, kaip stimuliuoti neuronus sudeginti giliosiose smegenyse“, – sako Cananas Dagdevirenas, MIT Media Lab docentas ir vyresnysis naujojo tyrimo autorius. „Šis prietaisas yra plonesnis už plaukų pluoštą, todėl bus nežymiai pažeisti audiniai, todėl mums lengva naršyti šiuo prietaisu giliose smegenyse.
Šis metodas ne tik siūlo potencialiai saugesnį gilios smegenų stimuliacijos būdą, bet ir gali tapti vertinga priemone tyrėjams, norintiems sužinoti daugiau apie smegenų veiklą.
MIT absolventas Jasonas Hou ir MIT postdoc Osmanas Goni Nayeemas yra pagrindiniai šio straipsnio autoriai, taip pat bendradarbiai iš MIT McGovern smegenų tyrimų instituto, Bostono universiteto ir Caltech. Tyrimas paskelbtas šiandien, birželio 4 d Gamtos komunikacijos.
Giliai smegenyse
Dagdeviren laboratorija anksčiau sukūrė nešiojamus ultragarsinius prietaisus, kurie gali būti naudojami vaistams tiekti per odą arba atlikti įvairių organų diagnostinį vaizdą. Tačiau ultragarsas negali giliai prasiskverbti į smegenis iš prietaiso, pritvirtinto prie galvos ar kaukolės.
„Jei norime patekti į giliąsias smegenis, tada jos nebegali būti tiesiog nešiojamos ar pritvirtinamos. Ji turi būti implantuojama”, – sako Dagdeviren. „Mes kruopščiai pritaikome prietaisą taip, kad jis būtų minimaliai invazinis ir išvengtų pagrindinių giliųjų smegenų kraujagyslių.
Gilus smegenų stimuliavimas elektriniais impulsais yra FDA patvirtintas Parkinsono ligos simptomams gydyti. Šis metodas naudoja milimetro storio elektrodus, kad suaktyvintų dopaminą gaminančias ląsteles smegenų srityje, vadinamoje juodąja medžiaga. Tačiau implantuoti į smegenis prietaisai ilgainiui pradeda rūdyti, o aplink implantą besikaupiantis randinis audinys gali trukdyti elektros impulsams.
MIT komanda nusprendė išsiaiškinti, ar jie galėtų įveikti kai kuriuos iš šių trūkumų, pakeisdami elektrinę stimuliaciją ultragarsu. Dauguma neuronų turi jonų kanalus, kurie reaguoja į mechaninę stimuliaciją, pvz., garso bangų vibraciją, todėl ultragarsas gali būti naudojamas tų ląstelių aktyvumui sukelti.
Tačiau esamos technologijos, skirtos ultragarsui perduoti į smegenis per kaukolę, negali labai tiksliai patekti į smegenis, nes pati kaukolė gali trukdyti ultragarso bangoms ir sukelti netikslinę stimuliaciją.
„Norėdami tiksliai moduliuoti neuronus, turime eiti giliau, todėl turime sukurti naujo tipo ultragarsu pagrįstą implantą, kuris sukuria lokalizuotus ultragarso laukus“, – sako Nayeemas.
Norėdami saugiai pasiekti tas giliąsias smegenų sritis, mokslininkai sukūrė ploną plauką pluoštą, pagamintą iš lankstaus polimero. Pluošto gale yra į būgną panašus ultragarso keitiklis su vibruojančia membrana. Kai ši membrana, apimanti ploną pjezoelektrinę plėvelę, yra varoma maža elektros įtampa, ji sukuria ultragarso bangas, kurias gali aptikti netoliese esančios ląstelės.
„Jis yra saugus audiniams, nėra atviro elektrodo paviršiaus ir yra labai mažos galios, o tai puikiai tinka naudoti pacientams“, – sako Hou.
Atlikdami bandymus su pelėmis, mokslininkai parodė, kad šis ultragarsinis prietaisas, kurį jie vadina ImpULS (implantuojamas pjezoelektrinis ultragarso stimuliatorius), gali išprovokuoti hipokampo neuronų aktyvumą. Tada jie implantavo pluoštus į dopaminą gaminančią juodąją medžiagą ir parodė, kad jie gali stimuliuoti neuronus nugaros juostoje gaminti dopaminą.
„Smegenų stimuliavimas buvo vienas iš veiksmingiausių, bet mažiausiai suprantamų metodų, naudojamų smegenų sveikatai atkurti. ImpULS suteikia mums galimybę stimuliuoti smegenų ląsteles su išskirtine erdvine ir laiko skiriamąja geba ir tokiu būdu, kuris nesukelia tokio tipo žalos ar uždegimo, kaip ir kitais metodais.
„Matydami jo veiksmingumą tokiose srityse kaip hipokampas, mums atsirado visiškai naujas būdas tiksliai stimuliuoti tikslines smegenų grandines“, – sako Steve'as Ramirezas, Bostono universiteto psichologijos ir smegenų mokslų docentas ir BU fakulteto narys. Sistemų neurologijos centras, kuris taip pat yra tyrimo autorius.
Pritaikomas įrenginys
Visi prietaiso komponentai yra biologiškai suderinami, įskaitant pjezoelektrinį sluoksnį, kuris pagamintas iš naujos keramikos, vadinamos kalio natrio niobatu arba KNN. Dabartinė implanto versija maitinama išoriniu maitinimo šaltiniu, tačiau mokslininkai numato, kad būsimos versijos galėtų būti maitinamos maža implantuojama baterija ir elektronikos bloku.
Tyrėjai sukūrė mikrogamybos procesą, leidžiantį lengvai pakeisti pluošto ilgį ir storį, taip pat pjezoelektrinio keitiklio sukuriamų garso bangų dažnį. Tai leistų prietaisus pritaikyti skirtingiems smegenų regionams.
„Negalime teigti, kad prietaisas duos vienodą poveikį kiekvienam smegenų regionui, bet galime lengvai ir labai užtikrintai teigti, kad technologija yra keičiamo dydžio, ir ne tik pelėms. Taip pat galime padaryti ją didesnę, kad vėliau būtų galima naudoti žmonėms. “, – sako Dagdeviren.
Tyrėjai dabar planuoja ištirti, kaip ultragarso stimuliacija gali paveikti skirtingus smegenų regionus ir ar prietaisai gali išlikti funkcionalūs, kai jie bus implantuoti ištisus metus. Jie taip pat domisi galimybe įtraukti mikroskysčių kanalą, kuris leistų prietaisu tiekti vaistus ir ultragarsą.
Pasak mokslininkų, tokio tipo ultragarso prietaisas gali būti ne tik žadantis kaip galimas Parkinsono ar kitų ligų gydymas, bet ir vertinga priemonė, padedanti mokslininkams daugiau sužinoti apie smegenis.
„Mūsų tikslas pateikti tai kaip tyrimų priemonę neurologijos bendruomenei, nes manome, kad neturime pakankamai veiksmingų priemonių smegenims suprasti“, – sako Dagdeviren. „Kaip prietaisų inžinieriai, mes stengiamės pateikti naujų įrankių, kad galėtume daugiau sužinoti apie skirtingus smegenų regionus.
Ši istorija iš naujo paskelbta „MIT News“ (web.mit.edu/newsoffice/), populiarios svetainės, kurioje pateikiamos naujienos apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą, dėka.