تحریک عمیق مغز – استفاده از الکتریسیته در مناطق عمیق خاص مغز برای تعدیل عملکرد آنها – بیش از 25 سال است که از نظر بالینی استفاده می شود. این تکنیک برای نظارت و درمان بیماری های عصبی، به ویژه اختلالات حرکتی مانند بیماری پارکینسون و صرع استفاده می شود. با این حال، بسیاری از این رابط‌ها بسیار تهاجمی هستند و نیاز به برداشتن بخشی از جمجمه برای کاشت الکترودها در مغز دارند. یافتن راهی برای نظارت و تحریک سیستم عصبی مرکزی به روشی کمتر مزاحم، جام مقدسی برای کسانی است که در زمینه تعدیل عصبی هستند.
اکنون، یک تیم مشترک از محققان دانشگاه رایس و دانشگاه تگزاس با بودجه NIH در حال توسعه روشی برای دسترسی و تحریک مناطق عمیق مغز بدون سوراخ کردن جمجمه هستند. آنها یک مولد پالس کوچک ایجاد کردند که می تواند پس از یک سوراخ کمری در ستون فقرات کاشته شود. این مولد پالس به یک کاتتر تحریک کننده متصل است که می تواند از طریق مایع مغزی نخاعی به سطح مغز هدایت شود. پس از آزمایش‌های اولیه با اجساد انسانی، تیم با موفقیت از این دستگاه برای ضبط و تحریک فعالیت مغز در گوسفند با استفاده از یک رابط بی‌سیم استفاده کرد. کار آنها اخیراً در منتشر شده است مهندسی زیست پزشکی طبیعت.
جاکوب رابینسون، نویسنده این مطالعه، دکترا، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس، گفت: با استفاده از تکنیک خود، نشان داده‌ایم که می‌توان الکترود را با استفاده از یک سوراخ کمری نسبتاً ساده کاشت کرد و از نیاز به کرانیوتومی اجتناب کرد. با کاهش تهاجمی تحریک عمیق مغز، امیدواریم تحقیقات ما به کاهش موانع این فناوری کمک کند و روزی درمان های بهبود یافته ای را برای بیماران مبتلا به اختلالات عصبی ارائه دهد.
دستگاه‌های تحریک عمقی مغز معمولاً از دو جزء اصلی تشکیل شده‌اند: یک الکترود که در تماس مستقیم با مغز است و دیگری یک مولد پالس قابل کاشت که الکتریسیته ارسالی به مناطق خاصی از مغز را کنترل می‌کند. ژنراتورهای سنتی پالس تحریک عمیق مغز در زیر پوست نزدیک استخوان ترقوه کاشته می شوند و به باتری نیاز دارند. الکترودها معمولاً از طریق سوراخ هایی در جمجمه وارد می شوند تا به نواحی مورد نیاز مغز برسند.
دستگاه اثبات مفهوم عصبی مدولاسیون توصیف شده در این مطالعه شامل همان اجزای اساسی است، اما آنها برای کاهش تهاجم رابط های سنتی تحریک عمیق مغز بهینه شده اند. مولد پالس قابل کاشت کوچک شده است و در هر بعد تقریباً 1 سانتی متر اندازه دارد و به باتری نیاز ندارد – در عوض، دستگاه توسط فیلم های مغناطیسی الکتریکی تغذیه می شود که می تواند توسط یک میدان مغناطیسی خارجی فعال شود. و به جای حفاری در جمجمه برای وارد کردن الکترود، محققان روشی را ابداع کردند که یک کاتتر تحریک را از طریق فضای درونی داخلی یا قناتی که مایع مغزی نخاعی را از طریق سیستم عصبی مرکزی حمل می‌کند، عبور دهد. این تکنیک به تیم اجازه می دهد تا با استفاده از یک رویکرد کم تهاجمی که می تواند ایمنی و زمان بهبودی کاشت در عمق مغز را بهبود بخشد، الکترودها را در مغز قرار دهند. هم مولد پالس و هم الکترود می توانند از طریق یک برش کوچک در ستون فقرات کمری در قسمت پایین کمر وارد بدن شوند.
دکتر پیتر کان، نویسنده این مطالعه، جراح مغز و اعصاب در واحد پزشکی دانشگاه تگزاس توضیح داد: مغز چندین بطن یا حفره‌های پر از مایع دارد که در اعماق مغز قرار دارند و این بطن‌ها از طریق مجموعه‌ای از گذرگاه‌ها به نواحی دیگر مغز و نخاع متصل می‌شوند. با استفاده از تصویربرداری اشعه ایکس، می‌توانیم از این گذرگاه‌های پر از مایع استفاده کنیم تا الکترود را به آرامی به سمت ستون فقرات و به مناطق عمیق خاصی از مغز هدایت کنیم، بدون اینکه نیازی به باز کردن جمجمه باشد.
محققان ابتدا روش خود را در جسد انسان ارزیابی کردند و دریافتند که می توانند کاتتر تحریک را در ستون فقرات وارد کنند و الکترود را با موفقیت به مناطق خاصی در اعماق مغز هدایت کنند. در مرحله بعد، محققان می خواستند ارزیابی کنند که دستگاه آنها چقدر می تواند مناطق عمیق مغز را در یک حیوان زنده تحریک کند. برای انجام این کار، آنها به یک مدل رایج مورد استفاده در مطالعه ستون فقرات انسان روی آوردند: گوسفند.
پس از کاشت ژنراتور پالس در قسمت پایین ستون فقرات و هدایت الکترود به مغز گوسفند، محققان از یک آهنربای خارجی برای فعال کردن رابط عصبی به صورت بی سیم استفاده کردند. همانطور که انتظار می رفت، محققان می توانند قشر حرکتی را تحریک کنند، همانطور که انقباضات عضلانی در پاهای عقب حیوانات نشان می دهد. علاوه بر این، محققان نشان دادند که می توانند نواحی عمقی مغز را تحریک کنند و متعاقباً از طریق پتانسیل های برانگیخته (یا سیگنال های الکتریکی) اندازه گیری شده در نخاع، فعال سازی متناظر سیستم عصبی مرکزی را تشخیص دهند.
رابینسون توضیح داد: «ما همچنین نشان دادیم که می‌توانیم دو الکترود – یکی در مغز حیوان و دیگری در نخاع – قرار دهیم و آنها را به طور همزمان فعال کنیم. “دسترسی چندگانه فعال سازی هماهنگ مناطق متعدد سیستم عصبی مرکزی را ممکن می کند، که یک تکنیک مهم در درمان های نورومدولاسیون است.”
محققان قابلیت زنده ماندن دراز مدت دستگاه را در دو گوسفند از 12 گوسفند مورد ارزیابی قرار دادند. پس از 30 روز، آنها دریافتند که ایمپلنت همچنان می تواند به طور موثر سیستم عصبی مرکزی را تحریک کند. علاوه بر این، حیوانات هیچ نقص عصبی نشان ندادند.
موریا بیتمن، Ph.D.، مدیر برنامه در بخش علوم و فناوری اکتشاف در NIBIB، گفت: «این دستگاه، اگرچه هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد، اما پتانسیل آن را دارد که ایمپلنت‌های تعدیل‌کننده عصبی را برای بیماران بیشتری بیاورد، و دستگاه‌های تحریک عمقی مغز را مانند ضربان‌سازهای قلبی رایج کند». کار آینده تضمین خواهد کرد که این فناوری قبل از ارزیابی در انسان ایمن است.
این مطالعه با کمک مالی از NIBIB (U18EB029353) پشتیبانی شد.
این نکته برجسته علمی یک کشف تحقیقاتی بزرگ را توصیف می کند. تحقیقات پایه درک ما از رفتار و زیست شناسی انسان را افزایش می دهد، که زیربنای پیشرفت راه های جدید و بهتر برای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری است. علم یک فرآیند غیرقابل پیش بینی و تدریجی است – هر مطالعه علمی بر اساس اکتشافات گذشته، اغلب به روش های غیرمنتظره استوار است. اکثر پیشرفت های بالینی بدون دانش تحقیقات بنیادی امکان پذیر نخواهد بود.
مرجع تحقیق: Chen, J.C., Dhuliyawalla, A., Garcia, R. و غیره رابط های اندوسیسترنال برای تحریک عصبی با حداقل تهاجم و ثبت مغز و نخاع. ملی بیومد. مهندس (2024). https://doi.org/10.1038/s41551-024-01281-9
