Inżynierowie z Rice University opracowali najmniejszy wszczepialny stymulator mózgu, który zademonstrowano u pacjenta. Dzięki pionierskiej technologii magnetoelektrycznego przenoszenia mocy urządzenie wielkości groszku opracowane w laboratorium Rice Jacoba Robinsona we współpracy z Motif Neurotech i klinicystami dr Sameer Sheth i dr Sunil Sheth może być zasilane bezprzewodowo za pośrednictwem zewnętrznego nadajnika i wykorzystywane do stymulacji mózg przez oponę ⎯ błonę ochronną przymocowaną do dna czaszki.

Urządzenie, znane jako cyfrowo programowalny system terapii nadmózgowej (DOT), może zrewolucjonizować leczenie depresji lekoopornej i innych zaburzeń psychicznych lub neurologicznych, zapewniając alternatywę terapeutyczną, która zapewnia pacjentowi większą autonomię i dostępność niż obecne terapie oparte na neurostymulacji i jest mniej inwazyjne niż inne interfejsy mózg-komputer (BCI).

W tej pracy pokazujemy, że nasze urządzenie wielkości groszku może aktywować korę ruchową, co powoduje, że pacjent porusza ręką. W przyszłości możemy umieścić implant nad innymi częściami mózgu, takimi jak kora przedczołowa, gdzie, jak spodziewamy się poprawić funkcjonowanie wykonawcze u osób z depresją lub innymi zaburzeniami.”

Jacob Robinson, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz bioinżynierii na Uniwersytecie Rice

Istniejące wszczepialne technologie stymulacji mózgu zasilane są stosunkowo dużymi bateriami, które należy umieścić pod skórą w innym miejscu ciała i połączyć z urządzeniem stymulującym za pomocą długich przewodów. Takie ograniczenia konstrukcyjne wymagają większej liczby zabiegów chirurgicznych i narażają osobę na większe obciążenie związane z implantacją sprzętu, ryzykiem pęknięcia lub awarii drutu oraz koniecznością przyszłych operacji wymiany baterii.

„Wyeliminowaliśmy potrzebę stosowania baterii, zasilając urządzenie bezprzewodowo za pomocą zewnętrznego nadajnika” – wyjaśnił Joshua Woods, absolwent elektrotechniki w laboratorium Robinson i główny autor badania opublikowanego w czasopiśmie Postęp nauki. Amanda Singer, była absolwentka programu fizyki stosowanej Rice’a, obecnie pracująca w Motif Neurotech, jest także główną autorką.

Technologia opiera się na materiale, który przekształca pola magnetyczne w impulsy elektryczne. Ten proces konwersji jest bardzo wydajny w małych skalach i ma dobrą tolerancję na niewspółosiowość, co oznacza, że ​​nie wymaga skomplikowanych ani minutowych manewrów w celu aktywacji i sterowania. Urządzenie ma szerokość 9 milimetrów i może dostarczyć stymulację o napięciu 14,5 V.

„Nasz implant czerpie całą energię dzięki efektowi magnetoelektrycznemu” – powiedział Robinson, założyciel i dyrektor generalny Motif – startupu pracującego nad wprowadzeniem urządzenia na rynek. „Fizyka tego przenoszenia mocy sprawia, że ​​jest ona znacznie bardziej wydajna niż jakakolwiek inna technologia bezprzewodowego przesyłania mocy w tych warunkach”.

Motif jest jedną z kilku firm neurotechnologicznych, które badają potencjał BCI w zakresie zrewolucjonizowania metod leczenia zaburzeń neurologicznych.

„Neurostymulacja ma kluczowe znaczenie dla umożliwienia terapii w obszarze zdrowia psychicznego, gdzie skutki uboczne leków i brak skuteczności pozostawiają wiele osób bez odpowiednich możliwości leczenia” – stwierdził Robinson.

Naukowcy tymczasowo przetestowali urządzenie na ludzkim pacjencie, wykorzystując je do stymulacji kory ruchowej ⎯ części mózgu odpowiedzialnej za ruch ⎯ i generowania reakcji na ruch ręki. Następnie pokazali, że urządzenie łączy się z mózgiem świń stabilnie przez 30 dni.

„Nie robiono tego wcześniej, ponieważ jakość i siła sygnału potrzebnego do stymulacji mózgu przez oponę twardą była wcześniej niemożliwa przy bezprzewodowym przesyłaniu mocy w przypadku tak małych implantów” – powiedział Woods.

Robinson przewiduje, że z technologii będzie można korzystać w zaciszu własnego domu. Lekarz przepisałby leczenie i przedstawił wytyczne dotyczące korzystania z urządzenia, ale pacjenci zachowaliby pełną kontrolę nad sposobem podawania leczenia.

„W domu pacjent zakładał kapelusz lub inne urządzenie do noszenia, aby włączyć zasilanie i komunikować się z implantem, naciskać przycisk „Go” na swoim iPhonie lub smartwatchu, a następnie stymulacja elektryczna wytwarzana przez implant aktywowała sieć neuronową w mózgu” – Robinson powiedział.

Wszczepienie wymagałoby minimalnie inwazyjnej, 30-minutowej procedury polegającej na umieszczeniu urządzenia w kości nad mózgiem. Zarówno implant, jak i nacięcie będą praktycznie niewidoczne, a pacjent jeszcze tego samego dnia wróci do domu.

„Kiedy myślisz o rozruszniku serca, jest to bardzo rutynowa część opieki kardiologicznej” – powiedział Sheth, profesor i wiceprzewodniczący ds. badań, McNair Scholar i kierownik katedry neurochirurgii fundacji Cullen w Baylor College of Medicine. „W przypadku zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych odpowiednikiem jest głęboka stymulacja mózgu (DBS), co brzmi przerażająco i inwazyjnie. DBS jest w rzeczywistości dość bezpieczną procedurą, ale wciąż jest operacją mózgu, a postrzegane ryzyko związane z nią powoduje bardzo niski pułap liczby ludzi, którzy chcą to zaakceptować i mogą z tego skorzystać. I tu właśnie pojawiają się takie technologie. 30-minutowy drobny zabieg, który jest niczym więcej niż chirurgią skóry, wykonywany w ambulatoryjnym ośrodku chirurgicznym, jest znacznie bardziej tolerowany. niż DBS. Jeśli więc udowodnimy, że jest ona równie skuteczna jak bardziej inwazyjne alternatywy, terapia ta prawdopodobnie będzie miała znacznie większy wpływ na zdrowie psychiczne”.

W przypadku niektórych schorzeń, na przykład epilepsji, może być konieczne włączenie urządzenia na stałe lub przez większość czasu, ale w przypadku zaburzeń takich jak depresja i zaburzenia obsesyjno-kompulsywne (OCD) wystarczy kilka minut stymulacji dziennie, aby wywołać pożądane zmiany. w funkcjonowaniu docelowej sieci neuronowej.

Jeśli chodzi o kolejne kroki, Robinson powiedział, że od strony badawczej „jest naprawdę zainteresowany koncepcją tworzenia sieci implantów i tworzenia implantów, które mogą stymulować i rejestrować, dzięki czemu będą mogły zapewniać adaptacyjne, spersonalizowane terapie oparte na własnych sygnaturach mózgu”. ” Z punktu widzenia rozwoju terapeutycznego firma Motif Neurotech jest w trakcie ubiegania się o zgodę FDA na długoterminowe badanie kliniczne na ludziach. Pacjenci i opiekunowie mogą zarejestrować się na stronie internetowej Motif Neurotech, aby dowiedzieć się, kiedy i gdzie rozpoczną się te badania.

Prace były częściowo wspierane przez Fundację Roberta i Janice McNair, Instytut Medyczny McNair, DARPA i Narodową Fundację Nauki.