Premrežavanje mozga

Godinama su u velikim kliničkim ispitivanjima ljudi sa epilepsijom tretirani pomoću tzv., duboke moždane stimulacije, hirurški se ugrađuju elektrode koje mogu da detektuju napad i da ga zaustave električnim udarom.

Prema poslednjim rezultatima, tehnologija je dovela do smanjenja napada za 69 procenata u zadnjih pet godina.

Tracy Cui, biomedicinski inženjer na Univerzitetu u Pitsburgu, se nada da će poboljšati tu statistiku. Njena ekipa je osmislila elektrodu koja daje i električni impuls i lekove protiv konvulzija. “Znamo gde želimo da primenimo lek,” Cui kaže, “Tako da nam ne bi trebalo puno toga”.

Da bi napravili uređaj, njen tim uronio je metalnu elektrodu u rastvor dva ključna sastojka: molekula koji se zove monomer i leka CNQX. Udar struje uzrokuje da se monomeri povezuju i formiraju dugi lanac koji se zove polimer. Pošto je polimer pozitivno naelektrisan, on privlači negativno naelektrisan CNQX, ostavljajući inženjerima njihov ciljni proizvod, elektrodu obloženu filmom koji sadrži lek.

Istraživači su zatim stavili elektrode u Petrijevu posudu sa neuronima pacova. Drugi udar električne energije poremetio je elektrostatičko privlačenje u filmu, uzrokujući da polimer ispusti svoj farmakološki teret i da u obližnjim ćelijama smiri pogrešne obrasce ponašanja. Cui kaže da je njen tim uspešno ponovio eksperiment i na živim pacovima.

Potom, ona želi da testira elektrode i kod epileptičnih pacova, a zatim da počne dugi proces regulatornog odobrenja za ljudsku upotrebu. Krvno moždana barijera štiti organ od svega, osim od najmanjih molekula, čineći većinu lekova nedelotvornim. Kao rezultat toga, ovaj mehanizam koji plasira lek – mogao bi da leči i druge moždane poremećaje, kaže Cui. Elektrode mogu biti kombinovane sa bilo kojom vrstom malih lekova kao što su dopamini ili lekovi protiv bolova, što bi bilo korisno za lečenje Parkinsonove bolesti, hroničnih bolova, ili čak zavisnosti od droga.

Demencija

Demencija je jedan od najpoznatijih i frustrirajućih problema mozga. Ona oštećuje mnoge od osnovnih kognitivnih funkcija koje nas čine ljudima: radnu memoriju, donošenje odluka, korišćenje jezika i logično razmišljanje. Alchajmerova bolest, Hantingtonova i Parkinsonova bolest, svaka od njih dovodi do demencije, a ponekad je povezana i sa multiplom sklerozom, AIDS-om i normalnim procesom starenja.

Teodor Berger, biomedicinski inženjer na Univerzitetu Južne Kalifornije, nada se da bi mogao da pomogne ljudima da spreče simptome demencije, uređajem koji se ugrađuje u prefrontalni korteks mozga, regije presudne za sofisticirane spoznaje. On i njegove kolege u VEJK Forest baptističkom Medicinskom centru testirali su uređaj u studiji koja je uključivala pet majmuna i igru memorije.

Prvi tim ugrađuju polje elektroda, tako da bi to mogao da snima iz slojeva 2, 3 i 5 prefrontalnog korteksa i stimuliše sloj pet. Neuronski signali koji putuju nazad i napred između tih oblasti se odnose na pažnju i odlučivanje. Tim je tada trenirao majmune da igraju kompjuterske igre u kojima se vide nacrtane slike kamiona, lava, ili palete boja i moraju da izaberu istu sliku iz panela slika 90 sekundi kasnije.

Naučnici su u početku analizirali električne signale koji se šalju između dva kortikalna sloja kada majmuni naprave pravilan izbor. U kasnijim eksperimentima, tim je uzrokovao da polje emituje isti signal neposredno pre nego što majmun napravi odluku. Tačnost izbora životinja poboljšana je za oko 10 posto. To delovanje može biti još dublje u oštećenom mozgu. Kad su majmuni igrali istu igru pošto su primili dozu kokaina, njihov učinak je pao za oko 20 posto. Ali električna stimulacija je vratila njihovu tačnost na normalni nivo.

Demencija uključuje daleko složeniji sklop od ta dva sloja mozga. Ali kada jednom naučnici budu bolje razumeli kako tačno funkcioniše demencija, možda će biti moguće kombinovati nekoliko implantata i svakim ciljati određenu regiju.

Slepilo

foto: Popular Science Srbija

Milioni ljudi gube vid kada bolest ošteti fotoreceptorske ćelije u njihovim mrežnjačama. Te ćelije, tzv. štapičaste i kupaste, igraju ključnu ulogu u vidu, one konvertuju dolazeću svetlost u električne impulse koje mozak interpretira kao sliku.

U poslednjih nekoliko godina, nekoliko kompanija razvilo je polja elektroda -implantate koji zaobilaze oštećene ćelije. Mikroprocesor prevodi informacije sa video kamere u električne impulse koji stimulišu mrežnjaču, kao rezultat, slepi subjekti u kliničkim ispitivanjima su bili u mogućnosti da razlikuju objekte, pa čak i da čitaju vrlo velika slova. Ali ugradnja polja ima jednu veliku manu, ona stimulišu samo mali broj ćelija mrežnjače - oko 60-ak od 100.000 hiljada, što na kraju ograničava čovekovu vizuelnu rezoluciju.

Genska terapija koju je razvila kompanija iz Mičigena, RetroSense mogla bi da zameni hiljade oštećenih ćelija mrežnjače. Njihova tehnologija cilja sloj mrežnjače koji sadrži ganglionske ćelije. Normalno, ganglionske ćelije prenose električne signale iz štapičastih i kupastih ćelija u mozak. Ali RetroSense ubacuje gene koji sačinjavaju ganglion ćelije osetljive na svetlost; one preuzimaju posao od fotoreceptora. Do sada su, naučnici uspešno testirali ovu tehnologiju na glodarima i majmunima.

U studiji sa pacovima, genska terapija omogućila da životinja vidi dovoljno dobro da otkrije ivicu platforme kad joj se približi. Kompanija planira da krene sa prvim kliničkim ispitivanjem ove tehnologije iduće godine, sa devet osoba koji su oslepele od bolesti koja se zove retinitis pigmentosa.

Za razliku od operacije usađivanja polja elektroda, postupak kojim bi se uvela genska terapija će potrajati samo nekoliko minuta i zahteva samo lokalnu anesteziju. “Vizuelni signal koji dolazi iz ganglionskih ćelija ne može biti kodirana na isti način na koji su navikli”, kaže Peter Francis, šef medicinske službe RetroSensa. “Ali, ono što je verovatno da će se dogoditi je da će se njihov mozak prilagoditi.”

Paraliza

foto: Popular Science Srbija

Prošlogodišnja klinička ispitivanja koja uključuju moždane implantate, daju veliku nadu osobama sa teškim povredama kičmene moždine. Dva paralizovana subjekta zamišljaju da podižu šoljicu kafe. Polje elektroda dekodira ta neuronska uputstva u realnom vremenu i šalje ih na robotizovanu ruku, koja je prinela kafu njihovim ustima. Ali da bi pomerao ekstremitete sa stvarnom preciznošću, mozak zahteva taktilne povratne informacije. Migel Nikolelis, biomedicinski inženjer na Univerzitetu Djuk, demonstrirao je da interfejs mozak-mašina istovremeno može da upravlja kretanjem i prenese osećaj za dodir, bar u virtuelnoj stvarnosti.

Za eksperiment, Nikolelisov tim ubacio je elektrode u dva područja mozga kod majmuna: motorni korteks, koji kontroliše kretanje i obližnji somatosenzorni korteks, koji tumači signale dodira iz spoljnog sveta.

Zatim su majmuni igrali kompjuterske igre u kojima su kontrolisali virtuelnu ruku, prvo pomoću džojstika i na kraju jednostavno zamišljajući pokret. Ruka je mogla da dotakne tri siva kruga identičnog izgleda. Ali svaki krug je imao drugačiju virtuelnu “teksturu” koja šalje jasan električni uzorak majmunovom somatosenzornom korteksu.

Majmuni su naučili da izaberu teksturu koja im je donosila poslasticu, dokazujući da implantat i šalje i prima neuronske poruke. Ove godine, istraživanje u Brazilu će testirati sposobnost 10 do 20 pacijenata sa povredama kičmene moždine, da kontrolišu egzoskelet koristeći implantat. Nikolelis, veliki obožavalac brazilskog fudbala, je postavio stroge rokove svom timu: neprofitni konzorcijum koji je napravio, Walk Again Project, planira da opremi paraplegičara robotskim egzoskeletom i da ga odvede na Svetsko prvenstvo 2014. u Sao Paolu, gde će da izvede početni udarac.

Gluvoća

U poslednjih 25 godina, preko 30.000 ljudi sa gubitkom sluha dobilo je elektronski implantat koji zamenjuje kohleu, organ u obliku puža u unutrašnjem uvetu čije ćelije pretvaraju zvučne talase u električne signale. Uređaj radi kao mikrofon, prikuplja zvukove iz okoline i prenosi ih na slušni nerv, koji ih prenosi mozgu. Ali, kohlearni implantat neće pomoći ljudima čiji je ozbiljan gubitak sluha uzrokovan oštećenjem slušnog nerva, a kojih ima oko 10 posto. Srećom za ovu grupu, tim britanskih naučnika pronašao je način da obnovi taj živac koristeći matične ćelije.

Istraživači su izložili ljudske embrionalne matične ćelije faktorima rasta, materijama koje utiču na to da se diferenciraju u prethodnika slušnog neurona. Onda su ubrizgali oko 50.000 tih ćelija u kohleu pustinjskog pacova - gerbila čiji su slušni živci oštećeni. (Gerbili često se koristi kao modeli kod gluvoće jer je njihov opseg sluha sličan ljudskom). Tri meseca posle transplantacije, oko trećine od originalnog broja slušnih neurona je vraćena, a neki su izgleda formirali projekcije povezivanja sa moždanim stablom. Sluh životinja poboljšan je, u proseku, za 46 posto.

Proći će godine pre nego što tehnika počne da se testira na ljudima. Pošto, kako kažu istraživači, ima potencijal da pomogne ne samo onima sa oštećenjem nerava, već i ljudima sa rasprostranjenijim oštećenjima čiji slušni živac treba popraviti kako bi mogao da primi kohlearni implantat.