Herkömmliche implantierbare medizinische Geräte zur Hirnstimulation sind oft zu starr und sperrig für eines der weichsten und empfindlichsten Gewebe des Körpers.
Um das Problem anzugehen, haben Ingenieure der Rice University minimalinvasive, ultraflexible Nanoelektroden entwickelt, die als implantierte Plattform für die Verabreichung einer langfristigen, hochauflösenden Stimulationstherapie dienen könnten.
Laut einer Studie veröffentlicht in ZellberichteDie winzigen implantierbaren Geräte bildeten bei Nagetieren stabile, langlebige und nahtlose Gewebe-Elektroden-Schnittstellen mit minimaler Narbenbildung oder Beeinträchtigung. Die Geräte lieferten elektrische Impulse, die den neuronalen Signalmustern und -amplituden besser entsprechen als Reize von herkömmlichen intrakortikalen Elektroden.
Die hohe Biokompatibilität und die präzise raumzeitliche Reizkontrolle der Geräte könnten die Entwicklung neuer Hirnstimulationstherapien wie neuronaler Prothesen für Patienten mit eingeschränkten sensorischen oder motorischen Funktionen ermöglichen.
„In diesem Artikel werden Bildgebungs-, Verhaltens- und histologische Techniken verwendet, um zu zeigen, wie diese gewebeintegrierten Elektroden die Wirksamkeit der Stimulation verbessern“, sagte Lan Luan, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik und korrespondierender Autor der Studie. „Unsere Elektrode liefert winzige elektrische Impulse, um die neuronale Aktivität auf sehr kontrollierbare Weise anzuregen.
„Wir konnten den Strom, der zur Auslösung neuronaler Aktivierung erforderlich ist, um mehr als eine Größenordnung reduzieren. Impulse können so subtil sein wie ein paar hundert Mikrosekunden Dauer und ein oder zwei Mikroampere Amplitude.“
Das neue Elektrodendesign, das von Forschern der Rice Neuroengineering Initiative entwickelt wurde, stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen implantierbaren Elektroden dar, die zur Behandlung von Erkrankungen wie Parkinson, Epilepsie und Zwangsstörungen eingesetzt werden, die zu unerwünschten Gewebereaktionen und unbeabsichtigten Veränderungen der Nervenaktivität führen können.
„Herkömmliche Elektroden sind sehr invasiv“, sagte Chong Xie, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik und korrespondierender Autor der Studie. „Sie rekrutieren Tausende oder sogar Millionen Neuronen gleichzeitig.“
„Jedes dieser Neuronen soll seine eigene Stimmung haben und in einem bestimmten Muster koordinieren. Aber wenn man sie alle gleichzeitig schockt, stört man im Grunde genommen ihre Funktion. In manchen Fällen funktioniert das gut für einen und hat den gewünschten Effekt.“ therapeutische Wirkung. Wenn man aber zum Beispiel Sinnesinformationen verschlüsseln möchte, braucht man eine viel größere Kontrolle über die Reize.“
Xie verglich die Stimulation über herkömmliche Elektroden mit der störenden Wirkung, „jedem ein Lufthorn ins Ohr zu blasen oder in einem Raum voller Menschen einen Lautsprecher dröhnen zu lassen“.
„Früher hatten wir diesen sehr großen Lautsprecher, und jetzt hat jeder einen Ohrhörer“, sagte er.
Die Möglichkeit, die Frequenz, Dauer und Intensität der Signale anzupassen, könnte die Entwicklung neuartiger sensorischer Prothesen ermöglichen.
„Die Neuronenaktivierung ist diffuser, wenn man einen größeren Strom verwendet“, sagte Luan. „Wir konnten den Strom reduzieren und haben gezeigt, dass wir eine viel gezieltere Aktivierung haben. Dies kann zu Stimulationsgeräten mit höherer Auflösung führen.“
Luan und Xie sind Kernmitglieder der Rice Neuroengineering Initiative und ihre Labore arbeiten auch an der Entwicklung einer implantierbaren Sehprothese für blinde Patienten zusammen.
„Stellen Sie sich vor, dass Sie eines Tages Elektrodenarrays implantieren können, um beeinträchtigte Sinnesfunktionen wiederherzustellen: Je fokussierter und bewusster die Aktivierung der Neuronen ist, desto präziser ist das Gefühl, das Sie erzeugen“, sagte Luan.
Eine frühere Version der Geräte wurde zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität verwendet.
„Wir haben eine Reihe von Veröffentlichungen erhalten, die zeigen, dass diese enge Gewebeintegration, die durch das ultraflexible Design unserer Elektrode ermöglicht wird, unsere Fähigkeit, Gehirnaktivität über längere Zeiträume und mit besseren Signal-Rausch-Verhältnissen aufzuzeichnen, wirklich verbessert“, sagte Luan, der zum Associate befördert wurde Professor mit Wirkung zum 1. Juli.
Mehr Informationen:
Roy Lycke et al., Niedrigschwellige, hochauflösende, chronisch stabile intrakortikale Mikrostimulation durch ultraflexible Elektroden, Zellberichte (2023). DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112554