Zespół inżynierów, chirurgów i badaczy medycznych opublikował dane zarówno od ludzi, jak i szczurów, wykazując, że nowa gama czujników mózgu może rejestrować sygnały elektryczne bezpośrednio z powierzchni ludzkiego mózgu w rekordowych szczegółach. Nowe czujniki mózgu mają gęsto upakowane siatki 1024 lub 2048 wbudowanych czujników elektrokortykalnych (ECoG). Artykuł został opublikowany przez czasopismo Science Translational Medicine 19 stycznia 2022 r.

Nowa gama czujników mózgowych może rejestrować sygnały elektryczne bezpośrednio z powierzchni ludzkiego mózgu w rekordowych szczegółach. Nowe czujniki mózgu są wyposażone w cienkie, elastyczne i gęsto upakowane siatki 1024 lub 2048 wbudowanych czujników elektrokortykalnych (ECoG). Źródło: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

Te cienkie, giętkie siatki czujników ECoG, jeśli zostaną zatwierdzone do użytku klinicznego,zaoferują chirurgom informacje o sygnale mózgowym bezpośrednio z powierzchni kory mózgowej w 100 razy wyższej rozdzielczości niż to, co jest dostępne dzisiaj. Dostęp do tej bardzo szczegółowej perspektywy, które określone obszary tkanki na powierzchni mózgu lub kory mózgowej są aktywne i kiedy, może zapewnić lepsze wskazówki dotyczące planowania operacji usunięcia guzów mózgu i chirurgicznego leczenia padaczki lekoopornej. W dłuższej perspektywie zespół pracuje nad bezprzewodowymi wersjami tych sieci ECoG o wysokiej rozdzielczości, które mogłyby być używane do 30 dni monitorowania mózgu u osób z nieuleczalną padaczką. Technologia ta ma również potencjał do trwałej implantacji w celu poprawy jakości życia osób żyjących z paraliżem lub innymi chorobami neurodegeneracyjnymi, które można leczyć za pomocą stymulacji elektrycznej, takich jak choroba Parkinsona, drżenie samoistne i neurologiczne zaburzenie ruchowe zwane dystonią.

Projekt jest prowadzony przez profesora elektrotechniki Shadi Dayeh z University of California San Diego Jacobs School of Engineering. Zespół inżynierów, chirurgów i badaczy medycznych pochodzi z UC San Diego; Massachusetts General Hospital; oraz Oregon Health & Science University.

 

Elektrokortykografia nowej generacji

Rejestrowanie aktywności mózgu z siatek czujników umieszczonych bezpośrednio na powierzchni mózgu – elektrokortykografia (ECoG) – jest już w powszechnym użyciu jako narzędzie przez chirurgów wykonujących zabiegi usuwania guzów mózgu i leczenia padaczki u osób, które nie reagują na leki lub inne metody leczenia. Nowa praca w Science Translational Medicine zapewnia szeroki zakres recenzowanych danych pokazujących, że sieci z 1024 lub 2048 czujnikami mogą być wykorzystywane do niezawodnego rejestrowania i przetwarzania sygnałów elektrycznych bezpośrednio z powierzchni mózgu zarówno u ludzi, jak i szczurów. Dla porównania, siatki ECoG najczęściej stosowane obecnie w chirurgii zazwyczaj mają od 16 do 64 czujników, chociaż siatki klasy badawczej z 256 czujnikami mogą być wykonane na zamówienie.

Możliwość rejestrowania sygnałów mózgowych w tak wysokiej rozdzielczości może poprawić zdolność chirurgów do usuwania jak największej ilości guza mózgu, jednocześnie minimalizując uszkodzenia zdrowej tkanki mózgowej. W przypadku padaczki zdolność zapisu sygnału mózgowego o wyższej rozdzielczości może poprawić zdolność chirurga do precyzyjnego identyfikowania regionów mózgu, z których pochodzą napady padaczkowe, tak aby regiony te można było usunąć bez dotykania pobliskich regionów mózgu niezaangażowanych w inicjację napadów. W ten sposób te siatki o wysokiej rozdzielczości mogą zwiększyć zachowanie normalnej, funkcjonującej tkanki mózgowej.

Wykazanie, że siatki ECoG z czujnikami w tysiącach funkcjonują dobrze, otwiera również nowe możliwości w neurologii do odkrycia głębszego zrozumienia funkcjonowania ludzkiego mózgu. Z kolei podstawowe postępy w nauce mogą prowadzić do ulepszonych metod leczenia opartych na lepszym zrozumieniu funkcji mózgu.

Odstęp między milimetrami a jeden centymetr

Rejestrowanie sygnałów mózgowych w wyższej rozdzielczości można przypisać zdolności zespołu do umieszczania poszczególnych czujników znacznie bliżej siebie bez powodowania problematycznych zakłóceń między pobliskimi czujnikami. Na przykład siatka zespołu o wymiarach trzy centymetry na trzy centymetry z 1024 czujnikami zarejestrowała sygnały bezpośrednio z tkanki mózgowej 19 osób, które zgodziły się wziąć udział w tym projekcie podczas „przestoju” już zaplanowanych operacji mózgu związanych z rakiem lub epilepsją. W tej konfiguracji siatki czujniki znajdują się w odległości jednego milimetra od siebie. Natomiast siatki ECoG już zatwierdzone do użytku klinicznego zazwyczaj mają czujniki umieszczone w odległości jednego centymetra od siebie. Zapewnia to nowym sieciom 100 czujników na jednostkę powierzchni w porównaniu do 1 czujnika na jednostkę powierzchni dla klinicznie używanych sieci, oferując 100 razy lepszą rozdzielczość przestrzenną w interpretacji sygnałów mózgowych.

 

Czujniki wykonane z nanopręcików platynowych

Chociaż używanie czujników opartych na platynie do rejestrowania aktywności elektrycznej neuronów w mózgu nie jest niczym nowym, zespół badawczy używa platyny w nowatorski sposób: nanoskalowe platynowe pręty. Kształt nanopręcika oferuje większą powierzchnię wykrywania niż płaskie czujniki platynowe, co pomaga uczynić czujniki bardziej czułymi. System wykrywania opiera się na fakcie, że liczba elektronów w nanopręcikach platynowych zmienia się w odpowiedzi na neurony wystrzeliwujące w mózgu.

Naładowane jony wchodzą i wychodzą z neuronu, gdy ten wystrzeliwuje. Ten ruch naładowanych jonów powoduje zmiany potencjału napięciowego w płynie mózgowo-rdzeniowym, w którym kąpią się neurony. Te zmiany potencjału napięciowego w tkance mózgowej i płynie mózgowo-rdzeniowym zmieniają liczbę elektronów w nanopręcikach platynowych poprzez procesy przesiewowe ładunku. W ten sposób wystrzeliwanie neuronów na lub w pobliżu powierzchni kory mózgowej jest rejestrowane przez nanopręty platyny w czasie zbliżonym do rzeczywistego i z dużą precyzją.

Cienkie i giętkie siatki czujników w różnych rozmiarach

Ludzki mózg jest zawsze w ruchu. Na przykład z każdym uderzeniem serca mózg porusza się wraz z pulsującą krwią przepływającą przez niego. Platynowe siatki czujników oparte na nanopręcikach są cieńsze i bardziej elastyczne niż dzisiejsze klinicznie zatwierdzone siatki ECoG. Cienkość i elastyczność pozwala siatkom czujników poruszać się wraz z mózgiem, umożliwiając bliższe połączenie i lepsze odczyty. Ponadto siatki są produkowane z małymi otworami w kształcie pierścienia, które umożliwiają przejście płynu mózgowo-rdzeniowego. W ten sposób te otwory perfuzyjne wspierają lepszy interfejs między siatką czujników a powierzchnią mózgu, umożliwiając czujnikowi łatwe i bezpieczne przemieszczenie płynu.

Nowe platynowe nanopręcikowe siatki czujników mózgu mają dziesięć mikrometrów grubości, około jednej dziesiątej wielkości ludzkiego włosa i 100 razy cieńsze niż milimetrowe i klinicznie zatwierdzone siatki ECoG. Nanopręciki są osadzone w przezroczystym, miękkim i elastycznym biokompatybilnym materiale zwanym parylenem, który jest w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią mózgu. Sygnały elektryczne przemieszczają się z mózgu, przez płyn mózgowo-rdzeniowy i docierają do odsłoniętych powierzchni nanopręcików platyny, które są zagłębione w parylen. Ta konstrukcja daje siatkę czujników, która tworzy bliskie i stabilne połączenie z powierzchnią mózgu, poprawiając jakość sygnału.

Zastosowany proces produkcyjny pozwala również na szeroką gamę rozmiarów i kształtów, co otwiera nowe możliwości dla większego i bardziej spersonalizowanego pokrycia korowego. Zbieranie sygnałów z większych obszarów mózgu w tym samym czasie może odblokować więcej tajemnic mózgu.

Dzięki ścisłej współpracy między inżynierami kierowanymi przez profesora elektrotechniki Dayeha z UC San Diego i klinicystami kierowanymi przez neurochirurga Ahmeda Raslana z Oregon Health & Science University, zespół wdrożył ulepszenia projektowe dostosowane specjalnie do użytku klinicznego. Na przykład niestandardowe siatki czujników można drukować za pomocą specjalistycznych otworów, które umożliwiają chirurgom wkładanie sond dokładnie we właściwym miejscu i stosowanie stymulacji elektrycznej bezpośrednio do tkanki mózgowej w określonych miejscach. W celu uzyskania siatek ECoG o wyższej rozdzielczości zatwierdzonych do użytku klinicznego, Dayeh, Raslan i współautor Youngbin Tchoe założyli startup o nazwie Precision Neurotek Inc.

Zrekonstruowany model mózgu pacjenta i lokalizacji wszczepionych elektrod. Elektrody wszczepiono w pobliżu okolicy dłoni, a nerw obwodowy został pobudzony. Źródło: Y. Tchoe et al., Science Translational Medicine (2022)

Bardziej precyzyjne mapowanie funkcjonalne

Jednym z wyzwań związanych z usuwaniem guzów mózgu jest to, że obecność guza wywołuje zmiany w mózgu, w tym zmianę obszarów mózgu zaangażowanych w jakie funkcje. Zmiany te sprawiają, że dla zespołu chirurgicznego kluczowe znaczenie ma stworzenie spersonalizowanej mapy mózgu pacjenta – „map funkcjonalnych” – w celu podjęcia decyzji, gdzie wyciąć, a gdzie nie, usuwając jak najwięcej guza.

Autorzy artykułu Science Translational Medicine wykazali, że te mapy funkcjonalne można wykonać niezwykle precyzyjnie za pomocą platynowych nanopręcików czujników ECoG. W szczególności zespół opracował mapy funkcjonalne u czterech różnych osób granicy w mózgu zwanej bruzdą centralną. Bruzda centralna oddziela korę somatomotoryczną mózgu od kory somatosensorycznej. U tych czterech osób naukowcy umieścili platynowe siatki nano-prętów na powierzchniach mózgów badanych i poprosili ich o wykonanie szeregu czynności, w tym chwytanie rąk. Dzięki tym informacjom naukowcy zrekonstruowali rzeczywistą lokalizację tego kluczowego punktu orientacyjnego w mózgu, a także korelacje nerwowe w mózgu, które odpowiadają czuciu palca i chwytaniu dłoni. Wyniki z platynowych siatek nanopręcików są zgodne z wynikami z siatek ECoG o niższej rozdzielczości, które zostały już zatwierdzone do użytku klinicznego, ale z większą precyzją co do tego, gdzie dokładnie znajduje się ta krytyczna granica funkcjonalna między korą somatomotoryczną a korą somatosensoryczną. Nowo wytyczona krzywoliniowa granica funkcjonalna unikalna dla mózgu każdego pacjenta jest lepsza od często ekstrapolowanej i liniowej granicy, która jest określana na podstawie dzisiejszych jednocentymetrowych siatek klinicznych.

 

Wgląd w neuronaukę

Niektóre z nowo opublikowanych danych zespołu z badań na szczurach pokazują również przydatność sieci do otwierania nowych dróg w podstawowych badaniach neurologicznych. Na przykład artykuł Science Translational Medicine zawiera to, co naukowcy uważają za pierwsze mapowanie kolumny korowej u szczura z nagrań powierzchni mózgu. W przeszłości mapowanie kolumn korowych odbywało się tylko poprzez umieszczenie pojedynczej igły na powierzchni mózgu oraz sekwencyjną stymulację elektryczną i ruch igły po powierzchni mózgu. Ogólnie rzecz biorąc, fakt, że platynowe siatki nanopręcików dostarczają danych o wysokiej rozdzielczości zarówno w czasie, jak i przestrzeni, otwiera wiele nowych możliwości odkrywania nowej wiedzy o tym, jak działa mózg.

Kolejną obserwacją umożliwioną przez nowe siatki jest odkrywanie krótkich i lokalnych, a także długich i szerokich fal mózgowych związanych z funkcjonowaniem mózgu w tym samym czasie. Ten wysoce przestrzenny i zmienny w czasie (dynamiczny) obraz aktywności mózgu został udokumentowany w kilku dodatkowych filmach związanych z artykułem Science Translational Medicine i został wykorzystany do interpretacji ruchu rąk w nowy sposób przy użyciu wzorców fal mózgowych.

Zespół pracuje równolegle nad szeregiem inicjatyw mających na celu rozwój tych sieci, tak aby kwalifikowały się one do przeglądu w celu zatwierdzenia do krótko-, średnio- i długoterminowego użytkowania.

 

Źródło: medicalxpress.com
5 1 vote
Article Rating