מכשיר ה-ImPULS מכיל מתמרי אולטרסאונד ואלקטרודות (זהב) מכוסות בתוך פולימר. קרדיט: באדיבות החוקרים
MITמכשיר ה-ImPULS המושתל של החברה עשוי להפוך לחלופה לאלקטרודות המשמשות כעת לטיפול בפרקינסון ובמחלות אחרות.
מהנדסי MIT פיתחו מכשיר אולטרסאונד דק שיער המציע פריצת דרך אפשרית בטיפול בהפרעות נוירולוגיות על ידי מתן גירוי מוחי עמוק מדויק ופולשני. טכנולוגיה זו, המכונה ImPULS, יכולה להחליף שיטות מסורתיות מבוססות אלקטרודות, ומבטיחה נזק לרקמות מופחת ויעילות מוגברת.
גירוי מוחי עמוק, על ידי אלקטרודות מושתלות המספקות פולסים חשמליים למוח, משמש לעתים קרובות לטיפול במחלת פרקינסון ובהפרעות נוירולוגיות אחרות. עם זאת, האלקטרודות המשמשות לטיפול זה עלולות בסופו של דבר להחליד ולצבור רקמת צלקת, מה שמחייב הסרתן.
חוקרי MIT פיתחו כעת גישה חלופית המשתמשת באולטרסאונד במקום בחשמל כדי לבצע גירוי מוחי עמוק, הנמסר על ידי סיב בערך בעובי של שערה אנושית. במחקר על עכברים, הם הראו שגירוי זה יכול לעורר נוירונים לשחרר דופמין, בחלק במוח שלעתים קרובות ממוקד בחולים עם מחלת פרקינסון.
"על ידי שימוש באולטרסאונד, נוכל ליצור דרך חדשה לעורר נוירונים לירות במוח העמוק", אומר Canan Dagdeviren, פרופסור חבר במעבדת המדיה של MIT והמחבר הבכיר של המחקר החדש. "המכשיר הזה דק יותר מסיב שיער, כך שיהיה נזק זניח לרקמות, וקל לנו לנווט במכשיר הזה במוח העמוק".
יתרונות של גירוי מבוסס אולטרסאונד
בנוסף להצעת דרך בטוחה יותר לספק גירוי מוחי עמוק, גישה זו יכולה גם להפוך לכלי בעל ערך עבור חוקרים המבקשים ללמוד עוד על אופן פעולת המוח.
הסטודנט לתואר שני ב-MIT, ג'ייסון האו, והפוסט-דוקטורט של MIT, ד"ר אוסמן גוני נאים, הם הכותבים הראשיים של המאמר, יחד עם משתפי פעולה ממכון מקגוברן לחקר המוח של MIT, אוניברסיטת בוסטון ו-Caltech. המחקר פורסם ב-4 ביוני בכתב העת תקשורת טבע.
עמוק במוח
המעבדה של Dagdeviren פיתחה בעבר מכשירי אולטרסאונד לבישים שניתן להשתמש בהם כדי להעביר תרופות דרך העור או לבצע הדמיה אבחנתית באיברים שונים. עם זאת, אולטרסאונד אינו יכול לחדור לעומק המוח ממכשיר המחובר לראש או לגולגולת.
"אם אנחנו רוצים להיכנס למוח העמוק, אז זה לא יכול להיות רק לביש או לחיבור יותר. זה חייב להיות מושתל", אומר דגדוירן. "אנחנו מתאימים את המכשיר בקפידה כך שהוא יהיה פולשני מינימלי וימנע מכלי דם גדולים במוח העמוק".
גירוי מוחי עמוק עם דחפים חשמליים מאושר על ידי ה-FDA לטיפול בסימפטומים של מחלת פרקינסון. גישה זו משתמשת באלקטרודות בעובי מילימטר כדי להפעיל תאים מייצרי דופמין באזור מוח הנקרא substantia nigra. עם זאת, לאחר ההשתלה במוח, המכשירים בסופו של דבר מתחילים להחליד, ורקמת צלקת שמצטברת סביב השתל יכולה להפריע לדחפים החשמליים.
הגישה החדשה משתמשת באולטרסאונד הנמסר על ידי סיב בערך בעובי של שערה אנושית. קרדיט: באדיבות החוקרים
עיצוב ויישום חדש של אולטרסאונד במוח
צוות MIT יצא לבדוק אם הם יכולים להתגבר על חלק מהחסרונות הללו על ידי החלפת גירוי חשמלי באולטרסאונד. לרוב הנוירונים יש תעלות יונים המגיבות לגירוי מכני, כגון תנודות מגלי קול, כך שניתן להשתמש באולטרסאונד כדי לעורר פעילות בתאים אלה. עם זאת, הטכנולוגיות הקיימות להעברת אולטרסאונד למוח דרך הגולגולת אינן יכולות להגיע לעומק המוח בדיוק גבוה מכיוון שהגולגולת עצמה עלולה להפריע לגלי האולטרסאונד ולגרום לגירוי מחוץ למטרה.
"כדי לווסת נוירונים במדויק, עלינו ללכת עמוק יותר, מה שמוביל אותנו לתכנן סוג חדש של שתל מבוסס אולטרסאונד המייצר שדות אולטרסאונד מקומיים", אומר ניים. כדי להגיע בבטחה לאותם אזורי מוח עמוקים, החוקרים תכננו סיב דק לשיער העשוי מפולימר גמיש. קצה הסיב מכיל מתמר אולטרסאונד דמוי תוף עם קרום רוטט. כאשר הממברנה הזו, המקופלת סרט פיזואלקטרי דק, מונעת על ידי מתח חשמלי קטן, היא מייצרת גלים קוליים שניתן לזהות על ידי תאים סמוכים.
"זה בטוח לרקמות, אין משטח אלקטרודה חשוף, והוא בעל הספק נמוך מאוד, מה שמבשר טובות לתרגום לשימוש בחולה", אומר Hou.
השלכות וכיוונים עתידיים
בבדיקות בעכברים הראו החוקרים כי מכשיר האולטרסאונד הזה, שהם קוראים לו ImPULS (ממריץ אולטרסאונד מושתל) יכול לעורר פעילות בנוירונים של ההיפוקמפוס. לאחר מכן, הם השתילו את הסיבים לתוך ה-substantia nigra המייצר דופמין והראו שהם יכולים לעורר נוירונים בסטריאטום הגבי לייצר דופמין.
"גירוי מוחי היה אחת השיטות היעילות ביותר, אך הפחות מובנות, ששימשו להחזרת הבריאות למוח. ImPULS נותן לנו את היכולת לעורר תאי מוח ברזולוציה מרחבית-זמנית מעולה ובאופן שאינו מייצר נזק או דלקת כמו שיטות אחרות. ראיית היעילות שלו באזורים כמו ההיפוקמפוס פתחה לנו דרך חדשה לגמרי לספק גירוי מדויק למעגלים ממוקדים במוח", אומר סטיב רמירז, עוזר פרופסור לפסיכולוגיה ומדעי המוח באוניברסיטת בוסטון, וחבר סגל במרכז BU's. עבור Systems Neuroscience, שהוא גם מחבר המחקר.
במערכת החדשה, מתמרים (כסף) מופעלים על ידי חוטים (זהב) המספקים גירוי חשמלי. קרדיט: באדיבות החוקרים
טכנולוגיה ניתנת להתאמה אישית וניתנת להרחבה
כל מרכיבי המכשיר תואמים ביולוגיים, כולל השכבה הפיזואלקטרית, העשויה מקרמיקה חדשה בשם אשלגן נתרן ניובאט, או KNN. הגרסה הנוכחית של השתל מופעלת על ידי מקור מתח חיצוני, אך החוקרים רואים בדעתם שגרסאות עתידיות יכולות להיות מופעלות באמצעות סוללה קטנה הניתנת להשתלה ויחידת אלקטרוניקה.
החוקרים פיתחו תהליך מיקרו-ייצור המאפשר להם לשנות בקלות את אורך ועובי הסיב, כמו גם את תדירות גלי הקול המופקים מהמתמר הפיאזואלקטרי. זה יכול לאפשר התאמה אישית של המכשירים לאזורי מוח שונים.
"אנחנו לא יכולים לומר שהמכשיר ייתן את אותה השפעה על כל אזור במוח, אבל אנחנו יכולים בקלות ובביטחון רב לומר שהטכנולוגיה ניתנת להרחבה, ולא רק לעכברים. אנחנו יכולים גם להגדיל אותו לשימוש בסופו של דבר בבני אדם", אומר Dagdeviren.
מסקנה ויעדי מחקר עתידיים
החוקרים מתכננים כעת לחקור כיצד גירוי אולטרסאונד עשוי להשפיע על אזורים שונים במוח, ואם המכשירים יכולים להישאר פונקציונליים כאשר הם מושתלים במשך טווחי זמן של שנה. הם גם מעוניינים באפשרות לשלב ערוץ מיקרופלואידי, שיכול לאפשר למכשיר לספק תרופות כמו גם אולטרסאונד.
בנוסף להבטחה כתרופה פוטנציאלית לטיפול בפרקינסון או למחלות אחרות, סוג זה של מכשיר אולטרסאונד יכול להיות גם כלי רב ערך שיעזור לחוקרים ללמוד יותר על המוח, אומרים החוקרים.
"המטרה שלנו לספק את זה ככלי מחקר לקהילת מדעי המוח, מכיוון שאנו מאמינים שאין לנו מספיק כלים יעילים להבין את המוח", אומר דגדוירן. "כמהנדסי מכשירים, אנחנו מנסים לספק כלים חדשים כדי שנוכל ללמוד יותר על אזורים שונים במוח."
המחקר מומן על ידי קונסורציום MIT Media Lab ופרס לחקר הצעיר של קרן המוח וההתנהגות (BBRF) NARSAD.
