Новый нейростимулятор, разработанный инженерами Калифорнийского университета в Беркли, может одновременно прослушивать и стимулировать электрический ток в головном мозге, потенциально обеспечивая точные методы лечения пациентов с такими заболеваниями, как эпилепсия и болезнь Паркинсона.
Устройство под названием WAND работает как "кардиостимулятор для мозга," контролировать электрическую активность мозга и проводить электрическую стимуляцию, если он обнаруживает что-то не так.
Эти устройства могут быть чрезвычайно эффективными для предотвращения изнуряющего тремора или судорог у пациентов с различными неврологическими заболеваниями. Но электрические сигнатуры, которые предшествуют припадку или тремору, могут быть очень тонкими, а частота и сила электростимуляции, необходимая для их предотвращения, столь же болезненны. Врачам могут потребоваться годы на небольшие корректировки, прежде чем устройства обеспечат оптимальное лечение.
WAND, что означает беспроводное устройство нейромодуляции без артефактов, является как беспроводным, так и автономным, что означает, что как только оно научится распознавать признаки тремора или припадка, оно может самостоятельно регулировать параметры стимуляции, чтобы предотвратить нежелательные движения. А поскольку это замкнутый цикл, то есть он может стимулировать и записывать одновременно, он может регулировать эти параметры в режиме реального времени.
"Процесс подбора подходящей терапии для пациента является чрезвычайно дорогостоящим и может занять годы. Значительное сокращение как стоимости, так и продолжительности потенциально может привести к значительному улучшению результатов и доступности," сказал Рикки Мюллер, доцент электротехники и компьютерных наук в Беркли. "Мы хотим, чтобы устройство могло определить, какой способ стимуляции лучше всего подходит для данного пациента, чтобы получить наилучшие результаты. И вы можете сделать это, только прослушивая и записывая нейронные сигнатуры."
WAND может регистрировать электрическую активность по 128 каналам или из 128 точек мозга, по сравнению с восемью каналами в других системах с обратной связью. Чтобы продемонстрировать устройство, команда использовала WAND для распознавания и задержки определенных движений рук у макак-резусов. Устройство описано в исследовании, опубликованном сегодня (декабрь. 31) в области естественной биомедицинской инженерии.
Рябь в пруду
Одновременная стимуляция и запись электрических сигналов в головном мозге во многом похожа на попытку увидеть мелкую рябь в пруду и одновременно брызнуть ногами – электрические сигналы мозга подавляются большими импульсами электричества, доставляемыми стимуляцией.
В настоящее время глубокие стимуляторы головного мозга либо прекращают запись во время электростимуляции, либо записывают в другой части мозга, от того места, где применяется стимуляция, – по сути, они измеряют мелкую рябь в другой точке пруда от брызг.
"Чтобы обеспечить терапию на основе стимуляции с замкнутым циклом, что является большой целью для людей, которые лечат болезнь Паркинсона, эпилепсию и различные неврологические расстройства, очень важно одновременно выполнять нейронные записи и стимуляцию, что в настоящее время не позволяет ни одно коммерческое устройство," сказала бывший научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Саманта Сантакруз, которая сейчас является доцентом Техасского университета в Остине.
Исследователи Cortera Neurotechnologies, Inc., под руководством Рикки Мюллера разработали индивидуальные интегральные схемы WAND, которые могут записывать полный сигнал как тонких мозговых волн, так и сильных электрических импульсов. Эта конструкция чипа позволяет WAND вычитать сигнал из электрических импульсов, в результате чего получается чистый сигнал из мозговых волн.
Существующие устройства настроены на запись сигналов только от меньших мозговых волн и подавляются большими импульсами стимуляции, что делает невозможным восстановление этого типа сигнала.
"Поскольку мы действительно можем стимулировать и записывать в одной и той же области мозга, мы точно знаем, что происходит, когда проводим терапию," Мюллер сказал.
В сотрудничестве с профессором лаборатории электротехники и информатики Яном Рабаи команда создала платформенное устройство с беспроводными вычислительными возможностями и вычислительными возможностями с обратной связью, которое можно запрограммировать для использования в различных исследовательских и клинических приложениях.
В экспериментах, проводимых Сантакрусом, когда он был постдоком в Калифорнийском университете в Беркли, и профессором электротехники и информатики Хосе Кармена, испытуемых учили использовать джойстик для перемещения курсора в определенное место. После периода обучения устройство WAND было способно обнаруживать нейронные сигнатуры, которые возникали, когда испытуемые готовились к выполнению движения, а затем производить электрическую стимуляцию, которая задерживала движение.
"Хотя задержка времени реакции – это то, что было продемонстрировано ранее, это, насколько нам известно, впервые было продемонстрировано в системе с обратной связью, основанной только на неврологической записи," Мюллер сказал.
"В будущем мы стремимся включить обучение в нашу платформу с замкнутым циклом для создания интеллектуальных устройств, которые могут выяснить, как лучше всего лечить вас, и избавят врача от необходимости постоянно вмешиваться в этот процесс," сказал Мюллер сказал.