Инженеры Университета Райса разработали самый маленький имплантируемый стимулятор мозга, продемонстрированный на пациенте-человеке. Благодаря новаторской технологии магнитоэлектрической передачи энергии, устройство размером с горошину, разработанное Джейкобом Робинсоном в лаборатории Райса в сотрудничестве с Motif Neurotech и врачами доктором Самиром Шетом и доктором Сунилом Шетом, может получать питание по беспроводной сети через внешний передатчик и использоваться для стимуляции мозг через твердую мозговую оболочку — защитную мембрану, прикрепленную к нижней части черепа.
Устройство, известное как программируемая цифровым способом терапия над мозгом (DOT), может произвести революцию в лечении резистентной к лекарствам депрессии и других психиатрических или неврологических расстройств, предоставив терапевтическую альтернативу, которая предлагает большую автономию и доступность пациентов, чем современные методы лечения, основанные на нейростимуляции. менее инвазивный, чем другие интерфейсы мозг-компьютер (BCI).
«В этой статье мы показываем, что наше устройство размером с горошину может активировать моторную кору, в результате чего пациент двигает рукой», — сказал Робинсон, профессор электротехники, компьютерной техники и биоинженерии в Райс. «В будущем мы сможем разместить имплантат над другими частями мозга, например, над префронтальной корой, где мы ожидаем улучшить исполнительные функции у людей с депрессией или другими расстройствами».
Фото: Университет Райса.
Существующие имплантируемые технологии стимуляции мозга питаются от относительно больших батарей, которые необходимо поместить под кожу в другом месте тела и подключить к стимулирующему устройству длинными проводами. Такие конструктивные ограничения требуют большего количества хирургических операций и подвергают человека большему бремени имплантации оборудования, риску обрыва или отказа провода, а также необходимости будущих операций по замене батареи.
«Мы устранили необходимость в батарее, питая устройство по беспроводной сети с помощью внешнего передатчика», — объяснил Джошуа Вудс, аспирант электротехники лаборатории Робинсона и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Science Advances . Аманда Сингер, бывшая аспирантка программы Райс по прикладной физике, которая сейчас работает в Motif Neurotech, также является ведущим автором.
Технология основана на материале, который преобразует магнитные поля в электрические импульсы. Этот процесс преобразования очень эффективен в небольших масштабах и имеет хорошую устойчивость к перекосам, что означает, что для активации и управления не требуется сложного или минутного маневрирования. Устройство имеет ширину 9 миллиметров и может подавать стимуляцию напряжением 14,5 В.
«Наш имплант получает всю свою энергию за счет этого магнитоэлектрического эффекта», — сказал Робинсон, основатель и генеральный директор Motif, стартапа, работающего над выводом устройства на рынок. «Физика этой передачи энергии делает ее намного более эффективной, чем любые другие технологии беспроводной передачи энергии в таких условиях».
Motif — одна из нескольких нейротехнологических компаний, которые исследуют потенциал BCI для революционного изменения методов лечения неврологических расстройств.
«Нейростимуляция является ключом к созданию методов лечения в области психического здоровья, где побочные эффекты лекарств и недостаточная эффективность оставляют многих людей без адекватных вариантов лечения», — сказал Робинсон.
Исследователи временно протестировали устройство на пациенте-человеке, используя его для стимуляции моторной коры — части мозга, отвечающей за движение, — и генерации реакции движения руки. Затем они продемонстрировали стабильное взаимодействие устройства с мозгом в течение 30 дней на свиньях.
«Раньше этого не делалось, потому что качество и сила сигнала, необходимые для стимуляции мозга через твердую мозговую оболочку, ранее были невозможны при беспроводной передаче энергии для таких маленьких имплантатов», — сказал Вудс.
Робинсон предполагает, что эту технологию можно будет использовать, не выходя из дома. Врач назначал лечение и давал рекомендации по использованию устройства, но пациенты сохраняли полный контроль над тем, как проводится лечение.
«Вернувшись домой, пациент надевал шляпу или носимое устройство, включался в сеть и общался с имплантатом, нажимал кнопку «Далее» на своем iPhone или умных часах, а затем электрическая стимуляция от этого имплантата активировала нейронную сеть внутри мозга», — Робинсон. сказал.
Имплантация потребует минимально инвазивной 30-минутной процедуры, в ходе которой устройство будет помещено в кость над мозгом. И имплантат, и разрез будут практически невидимы, и пациент отправится домой в тот же день.
«Когда вы думаете о кардиостимуляторе, это очень рутинная часть кардиологической помощи», — сказал Шет, профессор и заместитель председателя по исследованиям, заведующий кафедрой нейрохирургии в Медицинском колледже Бэйлора, стипендиатом Макнейра и Фондом Каллена. «При неврологических и психиатрических расстройствах эквивалентом является глубокая стимуляция мозга (DBS), что звучит пугающе и инвазивно. DBS на самом деле является вполне безопасной процедурой, но это по-прежнему операция на головном мозге, и ее предполагаемый риск будет устанавливать очень низкий потолок количества людей, которые готовы принять это и могут извлечь из этого выгоду. Вот здесь-то и могут пригодиться подобные технологии. чем DBS. Поэтому, если мы сможем показать, что он столь же эффективен, как и более инвазивные альтернативы, эта терапия, вероятно, окажет гораздо большее влияние на психическое здоровье».
При некоторых состояниях, например при эпилепсии, устройство может потребоваться включать постоянно или большую часть времени, но при таких расстройствах, как депрессия и ОКР, режима всего нескольких минут стимуляции в день может быть достаточно, чтобы вызвать желаемые изменения. в функционировании целевой нейронной сети.
Что касается следующих шагов, Робинсон сказал, что с точки зрения исследований его «действительно интересует идея создания сетей имплантатов и имплантатов, которые могут стимулировать и записывать, чтобы они могли обеспечивать адаптивную персонализированную терапию на основе ваших собственных сигналов мозга». " С точки зрения разработки терапевтических средств, Motif Neurotech находится в процессе получения одобрения FDA на долгосрочное клиническое исследование на людях. Пациенты и лица, осуществляющие уход, могут зарегистрироваться на веб-сайте Motif Neurotech, чтобы узнать, когда и где начнутся эти испытания.
