Многие заболевания, включая болезнь Паркинсона, можно лечить с помощью электростимуляции с электрода, имплантированного в мозг. Однако электроды могут образовывать рубцы, что снижает их эффективность и может потребовать дополнительных операций для их замены.
Исследователи из Массачусетского технологического института продемонстрировали, что уменьшение размеров этих электродов может существенно устранить рубцы, потенциально позволяя устройствам оставаться в мозгу гораздо дольше.
"Мы меняем масштаб и делаем процедуру менее инвазивной," говорит Майкл Сима, Дэвид Х. Кох, профессор технических наук факультета материаловедения и инженерии, член Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха и старший автор исследования, опубликованного в выпуске журнала Scientific Reports от 16 мая.
Сима и его коллеги сейчас разрабатывают мозговые имплантаты, которые могут не только обеспечивать электрическую стимуляцию, но и записывать активность мозга или доставлять лекарства в определенные места.
Ведущий автор статьи – бывший аспирант Массачусетского технологического института Кевин Спенсер. Другими авторами являются бывший постдок Джей Си, аспирант Халил Рамади, профессор института Энн Грейбил и Дэвид Х. Профессор Института Коха Роберт Лангер.
Влияние размера
Многие пациенты с болезнью Паркинсона получили пользу от лечения низкочастотным электрическим током, подаваемым в часть мозга, участвующую в управлении движением. Электроды, используемые для этой глубокой стимуляции мозга, имеют диаметр несколько миллиметров. После имплантации они постепенно образуют рубцовую ткань из-за постоянного трения электрода об окружающие ткани мозга. Этот процесс, известный как глиоз, способствует высокому уровню отказов таких устройств: около половины перестают работать в течение первых шести месяцев.
Предыдущие исследования показали, что уменьшение или мягкость имплантатов может уменьшить количество рубцов, поэтому команда Массачусетского технологического института решила измерить эффект как уменьшения размера имплантатов, так и покрытия их мягким гидрогелем полиэтиленгликоля (PEG).
Гидрогелевое покрытие было разработано так, чтобы иметь эластичность, очень похожую на эластичность мозга. Исследователи также могли контролировать толщину покрытия. Они обнаружили, что когда покрытые электроды вставляются в мозг, мягкое покрытие отваливается, поэтому они придумали способ нанести гидрогель, а затем высушить его, чтобы он стал твердой тонкой пленкой. После установки электрода пленка впитывает воду и снова становится мягкой.
На мышах исследователи протестировали стекловолокно с покрытием и без покрытия различного диаметра и обнаружили, что существует компромисс между размером и мягкостью. Волокна с покрытием оставляют гораздо меньше рубцов, чем волокна без покрытия того же диаметра. Однако по мере того, как электродные волокна стали меньше, примерно до 30 микрон (0.03 миллиметра) в диаметре, версии без покрытия давали меньше царапин, потому что покрытия увеличивают диаметр.
Это говорит о том, что 30-микронное волокно без покрытия является оптимальной конструкцией для имплантируемых устройств в мозг.
"До этой статьи никто толком не знал о влиянии размера," Cima говорит. "Чем мягче, тем лучше, но не в том случае, если электрод будет больше."
Новые устройства
Теперь вопрос в том, можно ли адаптировать волокна диаметром всего 30 микрон для электростимуляции, доставки лекарств и регистрации электрической активности в головном мозге. Цима и его коллеги добились определенных успехов в разработке таких устройств.
"Это одна из тех вещей, которые на первый взгляд кажутся невозможными. Если у вас есть 30-микронные стеклянные волокна, это немного толще, чем кусок волоса. Но можно сделать," Cima говорит.
Такие устройства могут быть потенциально полезны для лечения болезни Паркинсона или других неврологических расстройств. Их также можно использовать для удаления жидкости из мозга, чтобы отслеживать, оказывает ли лечение желаемый эффект, или для измерения активности мозга, которая может указывать на то, что вот-вот начнется эпилептический припадок.