Flexibele nano-elektroden kunnen zorgen voor fijnmazige hersenstimulatie

Conventionele implanteerbare medische apparaten die zijn ontworpen voor hersenstimulatie zijn vaak te rigide en omvangrijk voor wat een van de zachtste en meest delicate weefsels van het lichaam is.

Om het probleem aan te pakken, hebben ingenieurs van Rice University minimaal invasieve, ultraflexibele nano-elektroden ontwikkeld die kunnen dienen als een geïmplanteerd platform voor het toedienen van langdurige stimulatietherapie met hoge resolutie.

Dat blijkt uit een studie gepubliceerd in Cel rapporten, vormden de kleine implanteerbare apparaten stabiele, duurzame en naadloze weefsel-elektrode-interfaces met minimale littekens of degradatie bij knaagdieren. De apparaten leverden elektrische pulsen die beter overeenkomen met neuronale signaleringspatronen en amplitudes dan stimuli van conventionele intracorticale elektroden.

De hoge biocompatibiliteit en nauwkeurige spatiotemporele stimuluscontrole van de apparaten zou de ontwikkeling van nieuwe hersenstimulatietherapieën mogelijk kunnen maken, zoals neuronale prothesen voor patiënten met verminderde sensorische of motorische functies.

“Dit artikel maakt gebruik van beeldvormende, gedrags- en histologische technieken om te laten zien hoe deze in weefsel geïntegreerde elektroden de effectiviteit van stimulatie verbeteren”, zegt Lan Luan, een assistent-professor in elektrische en computertechniek en een overeenkomstige auteur van het onderzoek. “Onze elektrode levert kleine elektrische pulsen om neurale activiteit op een zeer controleerbare manier op te wekken.

“We waren in staat om de stroom die nodig is om neuronale activering op te wekken met meer dan een orde van grootte te verminderen. Pulsen kunnen zo subtiel zijn als een paar honderd microseconden in duur en een of twee microampère in amplitude.”

Het nieuwe elektrodeontwerp, ontwikkeld door onderzoekers in het Rice Neuroengineering Initiative, vertegenwoordigt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van conventionele implanteerbare elektroden die worden gebruikt voor de behandeling van aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, epilepsie en obsessief-compulsieve stoornis, die nadelige weefselreacties en onbedoelde veranderingen in neurale activiteit kunnen veroorzaken.

“Conventionele elektroden zijn zeer invasief”, zegt Chong Xie, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek en een overeenkomstige auteur van de studie. “Ze rekruteren duizenden of zelfs miljoenen neuronen tegelijk.”

“Elk van die neuronen zou hun eigen melodie en coördinaat moeten hebben in een specifiek patroon. Maar als je ze allemaal tegelijkertijd schokt, verstoor je in feite hun functie. In sommige gevallen werkt dat prima voor jou en heeft het de gewenste therapeutisch effect. Maar als je bijvoorbeeld zintuiglijke informatie wilt coderen, heb je veel meer controle over de prikkels nodig.”

Xie vergeleek stimulatie via conventionele elektroden met het verstorende effect van “een luchthoorn in ieders oor blazen of een luidspreker laten schallen” in een kamer vol mensen.

“Vroeger hadden we een hele grote luidspreker, en nu heeft iedereen een oortje”, zei hij.

De mogelijkheid om de frequentie, duur en intensiteit van de signalen aan te passen, zou de ontwikkeling van nieuwe sensorische prothetische apparaten mogelijk kunnen maken.

“Neuronactivering is meer diffuus als je een grotere stroom gebruikt,” zei Luan. “We waren in staat om de stroom te verminderen en toonden aan dat we een veel meer gerichte activering hebben. Dit kan zich vertalen in stimulatieapparaten met een hogere resolutie.”

Luan en Xie zijn kernleden van het Rice Neuroengineering Initiative en hun laboratoria werken ook samen aan de ontwikkeling van een implanteerbaar visueel prothetisch apparaat voor blinde patiënten.

“Stel je voor dat je op een dag elektrode-arrays kunt implanteren om de verminderde sensorische functie te herstellen: hoe gerichter en opzettelijker de activering van de neuronen is, hoe nauwkeuriger de sensatie die je genereert, ” zei Luan.

Een eerdere iteratie van de apparaten werd gebruikt om hersenactiviteit vast te leggen.

“We hebben een reeks publicaties gehad die aantonen dat deze intieme weefselintegratie, mogelijk gemaakt door het ultraflexibele ontwerp van onze elektrode, echt ons vermogen verbetert om hersenactiviteit voor langere tijd vast te leggen en met betere signaal-ruisverhoudingen,” zei Luan, die is gepromoveerd tot associëren hoogleraar per 1 juli.