Zespół badawczy pod przewodnictwem profesora SON Donghee i profesora SHIN Mikyung z Centrum Badań Obrazowania Neurobiologicznego (CNIR) w Instytucie Nauk Podstawowych (IBS) oraz dr KIM Hyungmin z Centrum Badań Bionicznych w Koreańskim Instytucie Nauki i Technologii (KIST) opracował przełomowe miękkie urządzenie korowe, które może zrewolucjonizować leczenie padaczki i innych zaburzeń neurologicznych.
Padaczka, choroba neurologiczna dotykająca ponad 65 milionów ludzi na całym świecie, charakteryzuje się patologiczną nadaktywnością elektryczną mózgu, która powoduje drgawki. Co ciekawe, u około 20-30% wszystkich pacjentów diagnozuje się nieuleczalną padaczkę, która nie reaguje na standardowe leki. Chirurgiczna resekcja zmian pozostaje opcją leczenia dla tych pacjentów, ale stanowi wyzwanie ze względu na złożoność i ryzyko związane z tą procedurą.
Jako mniej inwazyjne leczenie alternatywne zaproponowano koncepcję neuromodulacji, która polega na bezpośrednim pobudzaniu uszkodzonej tkanki energią mechaniczną, elektromagnetyczną lub optyczną w celu stłumienia nadpobudliwości mózgu. Jednym z obiecujących podejść jest neurostymulacja przezczaszkowa zogniskowanymi ultradźwiękami (tFUS), nieinwazyjna metoda, która stymuluje mózg z dużą precyzją, nie powodując trwałych uszkodzeń.
Aby tFUS był skuteczny w leczeniu padaczki, musi być sparowany z systemem, który może stale monitorować aktywność mózgu i dostosowywać leczenie w czasie rzeczywistym. Jednak istniejące urządzenia łączące korę mózgową z mózgiem napotykają na wyzwania ze względu na ich wysoką sztywność i niską zdolność adaptacji kształtu, co utrudnia im dopasowanie się do pofałdowanej powierzchni mózgu, co skutkuje słabymi interfejsami tkanka-urządzenie. Ich słaba przyczepność do powierzchni mózgu oznacza również, że mają trudności z dostarczaniem dokładnych sygnałów mózgowych podczas stymulacji ultradźwiękowej z powodu zakłóceń powodowanych przez mechaniczne fale ciśnienia.
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół badawczy opracował czujnik Shape-Morphing Cortical-Adhesive (SMCA), miękkie, elastyczne urządzenie, które ściśle przylega do powierzchni mózgu, zapewniając stabilne i dokładne monitorowanie aktywności mózgu nawet podczas stymulacji tFUS. Czujnik SMCA składa się z unikalnej kombinacji materiałów. Posiada warstwę hydrożelu alginianowego sprzężonego z katecholem, który szybko wiąże się z tkanką mózgową, zapewniając silną przyczepność i zmniejszając ryzyko ruchu lub oderwania. Ponadto podłoże urządzenia jest wykonane z samonaprawiającego się polimeru, który zmiękcza się i dostosowuje do zakrzywionej powierzchni mózgu w temperaturze ciała, zapewniając ścisłe dopasowanie i minimalizując ryzyko artefaktów sygnału.
Zespół testował czujnik SMCA zarówno ex vivo (poza ciałem), jak i in vivo (wewnątrz ciała), porównując jego wydajność z wydajnością istniejących urządzeń bez właściwości klejących lub zmieniających kształt. W eksperymentach na szczurzym modelu padaczki czujnik SMCA pomyślnie rejestrował aktywność mózgu podczas tFUS bez zakłóceń, umożliwiając monitorowanie w czasie rzeczywistym niezbędne do skutecznego leczenia.
Wykorzystując ten innowacyjny czujnik, naukowcy wdrożyli system kontroli napadów w pętli zamkniętej. System ten wykorzystuje czujnik SMCA do wykrywania wczesnych objawów napadu i automatycznie dostosowuje leczenie tFUS w odpowiedzi. System skutecznie tłumił napady w czasie rzeczywistym, co pokazuje potencjał spersonalizowanego, adaptacyjnego leczenia padaczki.
Profesor SON Donghee stwierdził: „Dzięki naszym badaniom nad platformą miękkiej bioelektroniki przylegającej do mózgu pokonaliśmy duże wyzwanie w dziedzinie interfejsów mózgowych, uzyskując wysokiej jakości elektrokortykografię połączoną ze zogniskowaną stymulacją ultradźwiękową bez zakłóceń artefaktów”. Wyjaśnił znaczenie tych badań i nakreślił plany na przyszłość, dodając: „Oczekujemy, że nasza technologia stanie się kamieniem węgielnym platformy biomedycznej nowej generacji, która umożliwi precyzyjną diagnostykę i spersonalizowaną terapię nieuleczalnych zaburzeń neurologicznych. Po tych badaniach będziemy rozwijać platformę czujników SMCA, ulepszając funkcje zmiany kształtu i przylegania do kory mózgowej, opracowując wysoce zintegrowane mikroelektrody i wdrażając algorytm operacyjny pętli zamkniętej wyższego rzędu”.
Dr Hyungmin KIM stwierdził: „Uzyskaliśmy wczesne wykrywanie aktywności napadowej za pomocą ECoG, co umożliwia zapobieganie napadom. Ponadto wdrożyliśmy informacje zwrotne w czasie rzeczywistym na temat efektów stymulacji ultradźwiękowej, co pozwoliło na zastosowanie spersonalizowanych protokołów stymulacji. Patrząc w przyszłość, przewidujemy, że rozwój elektrod z większą liczbą kanałów, a także wielokanałowych przetworników ultradźwiękowych, ułatwi precyzyjne mapowanie źródeł napadów i ukierunkowaną interwencję, ostatecznie zwiększając skuteczność i bezpieczeństwo tego podejścia w zastosowaniach klinicznych”.
Badania te przeprowadzono we współpracy z kolegami z Sungkyunkwan University (SKKU) i Korea Institute of Science and Technology (KIST). Wyniki opublikowano w Elektronika przyrodnicza 11 września 2024 r.
