Engineers have designed a wireless ‘brain stymulator serca’ which can detect and prevent tremors or seizures in patients suffering from neurological disorders
Według Światowej Organizacji Zdrowia (KIM) zaburzenia neurologiczne dotykają ponad miliard ludzi na całym świecie i są przyczyną ponad 6 milionów zgonów rocznie. Do zaburzeń tych zalicza się epilepsję, Chorobę Alzheimera, udar mózgu lub urazy i Choroba Parkinsona. Wpływ tych chorób jest obecny zarówno w krajach rozwiniętych, jak i rozwijających się i często leczenie jest niedostępne z powodu braku odpowiedniego systemu opieki zdrowotnej, wyszkolonego personelu lub innych czynników. Globalna populacja starzeje się i według WHO w ciągu najbliższych 30-40 lat ponad połowa populacji będzie miała powyżej 65 lat. Konieczne jest zrozumienie, że zaburzenia neurologiczne będą w najbliższej przyszłości ogromnym obciążeniem dla zdrowia
„Rozrusznik” mózgu
Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w USA opracowali nowatorski neurostymulator, który może jednocześnie słuchać („nagrywać”) i stymulować („dostarczać”) prąd elektryczny do mózgu. Takie urządzenie może zapewnić doskonale spersonalizowane leczenie pacjentów cierpiących na zaburzenia neurologiczne, zwłaszcza chorobę Parkinsona i epilepsję. Urządzenie nosi nazwę WAND (bezprzewodowe urządzenie do neuromodulacji wolnej od artefaktów) i można je również nazwać „rozrusznik mózgu’ similar to the heart stymulator serca – a tiny, battery-operated device which is able to sense when the heart is beating irregularly and then delivers a signal to the heart to achieve the desired correct pace. Similarly, the brain stymulator serca is able to wirelessly and autonomously monitor the brain’s electrical activity and once it has learned to identify signs or features of a tremor or konfiskata w mózgu urządzenie może samoczynnie dostosowywać parametry stymulacji, dostarczając „prawidłową” stymulację elektryczną, gdy coś jest nie w porządku. Jest to system z zamkniętą pętlą, który może jednocześnie nagrywać, a także stymulować i jest w stanie dostosować różne parametry w czasie rzeczywistym. WAND jest w stanie rejestrować aktywność elektryczną mózgu w ponad 125 kanałach w systemie zamkniętej pętli. W ramach praktycznej demonstracji naukowcy wykazali, że WAND był w stanie rozpoznać i podjąć odpowiednie środki, aby skutecznie opóźnić niezwykle specyficzne ruchy ramion u małp naczelnych (makaków rezus).
Wyzwania z poprzednimi urządzeniami
Jednym z głównych wyzwań w znalezieniu właściwej terapii dla pacjenta ze schorzeniem neurologicznym jest długi czas od znalezienia procedury, a następnie związane z tym wysokie koszty. Każde takie urządzenie może bardzo skutecznie zapobiegać drgawkom lub napadom padaczkowym u pacjentów. Jednak sygnatury elektryczne, które pojawiają się przed faktycznym napadem lub drżeniem, są niezwykle subtelne. Również częstotliwość i siła pożądanej stymulacji elektrycznej, która ma zdolność zapobiegania tym drgawkom lub napadom, jest również bardzo wrażliwa. To jest powód, dla którego drobne poprawki dla poszczególnych pacjentów zwykle trwają całe lata, zanim takie urządzenie będzie w stanie zapewnić optymalną terapię. Jeśli te wyzwania zostaną odpowiednio spełnione, może nastąpić wyraźny wzrost wyników i dostępności.
W nowym badaniu opublikowanym w Charakterystyka inżynierii biomedycznej, naukowcy chcieli, aby urządzenie zapewniało pacjentowi najlepszy możliwy wynik, zapewniając optymalną stymulację. Można to osiągnąć tylko poprzez słuchanie, a także rejestrowanie wzorców lub sygnatur neuronowych. Jednak rejestrowanie i stymulowanie sygnałów elektrycznych jest bardzo trudne, ponieważ duże pulsacje dostarczane przez stymulację mogą przytłoczyć sygnały elektryczne w mózgu. Problem z obecnymi głębokimi stymulatorami mózgu polega na tym, że nie są one w stanie „nagrywać” i jednocześnie „dostarczać” stymulacji do tego samego obszaru mózgu. Ten aspekt jest najistotniejszy dla jakiejkolwiek terapii w pętli zamkniętej i żadne takie urządzenie nie jest obecnie dostępne komercyjnie ani w żaden inny sposób.
I tu pojawia się wyjątkowość RÓŻDKI. Badacze zaprojektowali spersonalizowane obwody WAND, które mogą "nagrywać" kompletne sygnały zarówno z subtelnych fal mózgowych, jak i silniejszych pulsacji elektrycznych. Odjęcie sygnału od pulsacji elektrycznych skutkuje wyraźniejszym sygnałem z fal mózgowych, czego żadne z istniejących urządzeń nie jest w stanie zrobić. W ten sposób jednoczesna stymulacja i nagrywanie w tym samym obszarze mózgu przekazuje nam dokładne wydarzenia, które można wykorzystać do zaprojektowania idealnej terapii. WAND umożliwia przeprogramowanie do użytku w różnych aplikacjach. W eksperymencie na żywo na małpach urządzenie WAND było sprawne w wykrywaniu sygnatur neuronalnych, a następnie było w stanie dostarczyć pożądaną stymulację elektryczną. Po raz pierwszy zademonstrowano system z zamkniętą pętlą, który wykonuje te dwa zadania razem.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Zhou A i wsp. 2018. Bezprzewodowe i wolne od artefaktów 128-kanałowe urządzenie neuromodulacyjne do stymulacji w pętli zamkniętej i nagrywania u naczelnych innych niż człowiek. Charakterystyka inżynierii biomedycznej.
https://doi.org/10.1038/s41551-018-0323-x
