Un nou sistem implantabil poate manipula semnalele creierului și poate suprima cuplarea patologică

May 12, 2021 | Cercetare, Stiri

Pe măsură ce cercetătorii învață mai multe despre creier, a devenit clar că neurostimularea receptivă devine din ce în ce mai eficientă pentru a testa funcția circuitului neuronal și pentru a trata tulburările neuropsihiatrice, cum ar fi epilepsia și boala Parkinson. Dar abordările actuale de proiectare a unui dispozitiv complet implantabil și biocompatibil capabil să facă astfel de intervenții au limitări majore: rezoluția lor nu este suficient de mare și majoritatea necesită componente mari, voluminoase, care fac implantarea dificilă cu risc de complicații.

O echipă condusă de Dion Khodagholy, profesor asistent de inginerie electrică, a venit cu o nouă abordare care arată o mare promisiune de a îmbunătăți astfel de dispozitive. Bazându-se pe lucrările lor anterioare de a dezvolta tranzistoare și materiale bioelectronice mai mici și mai eficiente, cercetătorii și-au orchestrat dispozitivele pentru a crea circuite implantabile de înaltă performanță care permit citirea și manipularea circuitelor cerebrale. Sistemul lor multiplex-apoi-amplificat (MTA) necesită un singur amplificator per multiplexor, spre deosebire de abordările actuale care au nevoie de un număr egal de amplificatoare cu numărul de canale.

Este esențial să poți detecta și interveni în timp util pentru a trata simptomele legate de tulburările cerebrale, precum convulsiile epileptice. Nu numai că sistemul nostru este mult mai mic și mai flexibil decât dispozitivele actuale, dar permite și stimularea simultană a formelor de undă arbitrare pe mai multe canale independente, deci este mult mai versatil, a spus Khodagholy, lider în proiectarea bio și neuroelectronică.

Khodagholy a colaborat la acest studiu cu Jennifer N. Gelinas de la Departamentul de Neurologie și Institutul de Medicină Genomică de la Columbia University Medical Center Irving. Gelinas este un neurolog și specialist în epilepsie pediatrică ale cărei cercetări se concentrează pe înțelegerea modului în care rețelele neuronale devin anormale în epilepsie și pe proiectarea metodelor pentru a corecta această disfuncție.

Pentru a înregistra, detecta și localiza descărcările epileptice, oamenii de știință trebuie să înregistreze activitatea creierului în mai multe locații cu rezoluție temporală ridicată. Acest lucru necesită un dispozitiv și un circuit de achiziție și stimulare multi-canal cu rată de eșantionare ridicată. Circuitele convenționale au nevoie de un număr egal de circuite de amplificare ca număr de canale înainte ca acestea să poată combina aceste semnale într-un flux de date folosind multiplexarea. Aceasta crește dimensiunea circuitelor liniar cu numărul de canale.

Khodagholy știa din colaborarea cu neurologi precum Gelinas că era o mare nevoie de un sistem all-in-one, complet implantabil, care să poată înregistra, prelucra și stimula activitatea creierului. Un astfel de sistem le-ar permite cercetătorilor să proiecteze terapii personalizate.

Pe măsură ce echipa a continuat să-și facă electrozii mai eficienți, reducând impedanța prin utilizarea unui polimer conductor, s-au întrebat brusc ce s-ar întâmpla dacă ar profita de îmbunătățirile lor de electrozi în proiectarea circuitului și vor pune multiplexorul în fața amplificatorului .

Având în vedere această nouă idee, echipa a construit dispozitivul MTA și apoi și-a confirmat funcționalitatea dezvoltând un sistem integrat complet implantabil, receptiv, care poate dobândi în timp real, acțiuni neuronale individuale folosind electrozi conductori cu bază de polimer.

Provocarea cheie a fost crearea unei căi de drenaj a sarcinii electrice în timpul operației de multiplexare pentru a elimina orice acumulare de sarcină nedorită.”

Zifang Zhao, coleg postdoctoral în departamentul de inginerie electrică și primul autor al studiului

Dispozitivul MTA, care a fost fabricat la inițiativa Columbia Nano-Initiative, a permis echipei să dezvolte apoi un nou protocol în buclă închisă pentru a suprima cuplarea patologică dintre hipocamp și cortex în timp real într-o rețea epileptică. Acest tip de abordare ar putea ajuta la soluționarea problemelor de memorie care însoțesc adesea epilepsia.

„Aceste dispozitive vor permite aplicarea unor abordări de neurostimulare sensibile la rezoluție spatiotemporală cu o varietate de funcții ale creierului, mărind foarte mult capacitatea noastră de a modifica cronic rețelele neuronale și de a trata bolile neuropsihiatrice”, a spus Gelinas.

Echipa de cercetare își integrează acum sistemul cu diverse platforme experimentale, cu scopul de a îmbunătăți funcția rețelei neuronale și abilitățile cognitive.

 

Sursă material www.news-medical.net.