Europäische Forscher haben eine schlanke Hirnstimmungsleitung entwickelt, die Signale aufzeichnen, Medikamente verabreichen und mehrere Hirnareale gleichzeitig aktivieren kann. Das Werkzeug, bekannt als microfluidischer Axialtrode oder mAxialtrode, ist eine flexible Faser, die acht schmale Kanäle entlang ihrer gesamten Länge aufweist. An lebenden Mäusen wurde elektrische Aktivität von der Großhirnrinde und dem Hippocampus erfasst, Materialien in verschiedene Tiefen geliefert und Licht in Nervenzellen gesendet, alles während eines einzigen Verfahrens.
Diese Forschung stammt von der DTU (Technical University of Denmark), der Universität Kopenhagen, University College London und anderen Institutionen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht. Anstelle des starren Siliziums, das in den meisten Hirnimplantaten heute üblich ist, verwendet das Gerät weiche, kunststoffähnliche optische Fasern, von denen die Wissenschaftler behaupten, dass sie Reizungen und Entzündungen im Gehirn verringern. Es verfügt außerdem über eine abgewinkelte Spitze, die seine Größe reduziert und Schäden minimiert, wenn es in das Organ eingeführt wird.
„Die meisten aktuellen Hirnimplantate basieren auf harten Materialien wie Silizium, die das Gehirn reizen und Entzündungsreaktionen im Gewebe auslösen können. Das neue Implantat unterscheidet sich dadurch, dass es aus weichen, kunststoffähnlichen optischen Fasern besteht und eine speziell abgewinkelte Spitze hat, die es kleiner macht und den Schaden reduziert, der beim Einsetzen in das Gehirn entsteht.“
Aufzeichnung, Verabreichung und Stimulation in einem Faser
Die mAxialtrode macht drei Dinge gleichzeitig:
| Funktion | Details |
|---|---|
| Aufzeichnung | Ein lichtleitender Kern verläuft durch das Zentrum der Faser, umgeben von acht mikroskopischen Kanälen, die dünne Metallfäden zur Messung der elektrischen Aktivität enthalten. An lebenden Mäusen wurde es eingesetzt, um Signale von der Großhirnrinde und dem Hippocampus aufzuzeichnen. |
| Verabreichung | Die gleichen Kanäle, die die Drähte tragen, transportieren auch Flüssigkeiten; die Forscher injizierten verschiedene Substanzen in verschiedene Tiefen, wobei die Abgabestellen etwa drei Millimeter auseinander lagen. |
| Stimulation | Die Faser transportiert Licht in tiefe Hirnregionen; bei den Tests an Mäusen stimulierte sie Nervenzellen sowohl mit blauem als auch mit rotem Licht. |
Die drei Funktionen laufen gleichzeitig durch eine einzige, dünne Faser, die die Mäuse ohne Anzeichen von Unbehagen trugen. Forscher sagen, dass diese Methode Wissenschaftlern ein genaueres, weniger invasives Mittel zur Erforschung des Gehirns bietet und die Technologie möglicherweise dazu beitragen könnte, neurologische Erkrankungen wie Epilepsie zu behandeln.
Die Einschränkung von konventionellen Fasern
Viele Hirnforschungen stützen sich auf optische Fasern mit flacher Spitze, schlanke Stäbe aus Glas oder Kunststoff, die Licht in die Tiefen des Gehirns übertragen. Diese Fasern dienen als ein wichtiges Werkzeug in der Optogenetik, bei der bestimmte Nervenzellen durch Licht ein- und ausgeschaltet werden.
Konventionelle Fasern haben einen deutlichen Nachteil. Sie interagieren im Allgemeinen nur am Ende der Faser mit dem Hirngewebe, was die Forscher darauf beschränkt, an einem bestimmten Zeitpunkt einen einzelnen Punkt zu stimulieren oder zu überwachen. Dieses Ende ist als der distale Spitzenbereich oder die „Nase“ der Faser bekannt. Hier tritt Licht aus und wo die Faser Kontakt mit dem Hirngewebe hat. Aufgrund dieser Anordnung können sich Forscher dadurch eingeschränkt sehen, eine Hirnschicht nach der anderen zu messen oder zu erregen, obwohl zahlreiche Hirnfunktionen auf der Interaktion zwischen mehreren Schichten und tieferen Regionen beruhen.
Anstatt Daten ausschließlich von der Spitze des Geräts zu sammeln, platziert der mAxialtrode seine Funktionspunkte entlang seiner gesamten Länge. Diese Anordnung ermöglicht es Wissenschaftlern, Signale aus mehreren Hirngebieten gleichzeitig zu erfassen, zu übertragen und zu aktivieren.
Wie die Faser hergestellt wird
Die Forscher beginnen mit einer großen Polymerstange und erhitzen sie, um sie zu einer extrem dünnen Faser zu ziehen, ähnlich wie ein sehr feiner Zuckerfaden hergestellt wird, jedoch mit viel größerer Präzision. Das Ergebnis ist der nadeldünne mAxialtrode, der weniger als eine halbe Millimeter breit ist.
Dieses spezielle Gerät ist so konstruiert, dass es sich zusammen mit dem Hirngewebe biegt und bewegt, anstatt mit starrier Förmigkeit seinen Weg durch dieses zu erzwingen. Diese Differenz in der Steifigkeit des Geräts ist von großer Bedeutung, da Implantate, die wesentlich härter sind, nach längerer Zeit im Gehirn Entzündungsreaktionen auslösen können. Das weiche Material in Verbindung mit der speziell geformten Spitze ist so konzipiert, dass es Schäden während des Augenblicks minimiert, in dem das Implantat in das Gehirn eingeführt wird.
Wer das Implantat gebaut hat
Kunyang Sui, ein Postdoc, und der außerordentliche Professor Christos Markos haben den mAxialtrode gemeinsam entwickelt. Die Forschungsgruppe arbeitet derzeit an der Patentanmeldung für die Technologie, die das Hirnelektroden betreibt. Sie prüfen auch, welche Schritte erforderlich wären, um mit einer klinischen Studie die Tests des Geräts an Patienten zu beginnen.
Die In-vivo-Experimente und die neurophysiologische Validierung wurden in enger Zusammenarbeit mit dem außerordentlichen Professor Rune W. Berg von der Universität Kopenhagen und dem außerordentlichen Professor Rob C. Wykes vom University College London durchgeführt. Ihre Beiträge umfassten Fachwissen bei der Analyse von neuronalen Schaltkreisen und Modellen, die für Epilepsie relevant sind.
Was die Tests zeigten
Die Experimentatoren platzierten ihr Gerät in die Köpfe lebender Mäuse, wo es mit Lichtquellen, Aufnahmegeräten und kleinen Pumpen zur Flüssigkeitszufuhr verbunden war.
Die Forscher konnten während der Experimente Nervenzellen mit blauem und rotem Licht stimulieren. Sie nahmen gleichzeitig elektrische Aktivität aus flachen und tieferen Hirnregionen auf, darunter die Großhirnrinde und der Hippocampus. Außerdem injizierten sie verschiedene Substanzen in unterschiedlichen Tiefen, wobei die Abgabepunkte etwa drei Millimeter auseinanderlagen.
Die Tiere durchliefen alle Tests und erhielten jede Art von Stimulation über eine einzelne, schlanke Faser, die sie ohne äußeres Anzeichen von Leiden ertrugen.
Der Weg zur klinischen Anwendung
Laut Sui sind vor der Anwendung der Technologie an Patienten umfangreiche Tests, weitere Entwicklungen und behördliche Genehmigungen erforderlich. Die Forscher arbeiten an der Sicherung von Patenten für die Technologie und prüfen, was erforderlich wäre, um mit dem Testen des Geräts in einer klinischen Umgebung zu beginnen. Eine Zeitlinie für diese Pläne wurde im Quellmaterial nicht angegeben.
Das Design des Geräts mit seinem flexiblen Material zielt darauf ab, die Art von Hirnödemen zu reduzieren, die oft durch Implantate aus härteren Substanzen entstehen, die über längere Zeit im Kopf verbleiben. Dennoch betonen die Wissenschaftler, dass diese Technologie noch nicht so weit fortgeschritten ist, dass sie bei menschlichen Patienten eingesetzt werden könnte.
Vergleich des mAxialtrode mit anderen Implantaten
Anstatt die funktionellen Punkte nur an der Spitze zu platzieren, ordnet das Design des mAxialtrode diese entlang der Länge des Implantats an. Diese Anordnung ermöglicht es Forschern, über mehrere Hirnareale gleichzeitig aufzuzeichnen, zu liefern und zu stimulieren, eine Fähigkeit, die das Quellmaterial als eine Schlüsselstärke des Geräts bezeichnet.
Die Forscher nutzen das Gerät, um das Gehirn genauer zu untersuchen, und es könnte eines Tages bei Therapien für Erkrankungen wie Epilepsie helfen. Im Moment steht es jedoch als vielversprechendes frühes Stadium und nicht als fertiges Produkt da.
Quellmaterial: „Wissenschaftler entwickeln ein nadeldünnes Gehirnimplantat, das drei Aufgaben gleichzeitig erledigen kann“, ScienceDaily.
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