Ingenieurs hebben een draadloze ' hersenpacemaker ' ontworpen die trillingen of epileptische aanvallen kan detecteren en voorkomen bij patiënten met neurologische aandoeningen.
Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie ( WHO ) lijden wereldwijd meer dan een miljard mensen aan neurologische aandoeningen, die jaarlijks meer dan zes miljoen sterfgevallen veroorzaken. Deze aandoeningen omvatten epilepsie, de ziekte van Alzheimer , herseninfarcten of -letsels en de ziekte van Parkinson . De impact van deze ziekten is voelbaar in zowel ontwikkelde als ontwikkelingslanden, en vaak is behandeling niet beschikbaar vanwege een gebrekkig gezondheidszorgsysteem, onvoldoende opgeleid personeel of andere factoren. De wereldbevolking vergrijst en volgens de WHO zal over 30-40 jaar meer dan de helft van de bevolking ouder zijn dan 65 jaar. Het is van cruciaal belang te beseffen dat neurologische aandoeningen in de nabije toekomst een enorme gezondheidslast zullen vormen.
Een 'pacemaker' voor de hersenen
Ingenieurs van de Universiteit van Californië Berkeley in de VS hebben een nieuwe neurostimulator ontworpen die tegelijkertijd elektrische stroom in de hersenen kan registreren ('opnemen') en stimuleren ('afgeven'). Zo'n apparaat kan een geoptimaliseerde, gepersonaliseerde behandeling bieden aan patiënten met neurologische aandoeningen, met name de ziekte van Parkinson en epilepsie. Het apparaat heet WAND (wireless artifact-free neuromodulation device) en kan ook wel een ' hersenpacemaker ' genoemd worden, vergelijkbaar met een hartpacemaker – een klein, op batterijen werkend apparaatje dat detecteert wanneer het hart onregelmatig klopt en vervolgens een signaal naar het hart stuurt om het gewenste, correcte tempo te bereiken. Op dezelfde manier kan de hersenpacemaker draadloos en autonoom de elektrische activiteit van de hersenen monitoren en, zodra het apparaat tekenen of kenmerken van een tremor of epileptische aanval in de hersenen heeft leren herkennen, de stimulatieparameters automatisch aanpassen door de 'juiste' elektrische stimulatie af te geven wanneer er iets mis is. Het is een gesloten systeem dat tegelijkertijd kan registreren en stimuleren en de verschillende parameters in realtime kan aanpassen. WAND kan elektrische activiteit in de hersenen registreren via meer dan 125 kanalen in een gesloten systeem. Ter demonstratie toonden onderzoekers aan dat WAND in staat was om zeer specifieke armbewegingen bij primaten (resusapen) te herkennen en de juiste maatregelen te nemen om deze succesvol te vertragen.
Uitdagingen met eerdere apparaten
Een van de grootste uitdagingen bij het vinden van de juiste therapie voor een patiënt met een neurologische aandoening is de lange duur van het vinden van een procedure en vervolgens de hoge kosten. Een dergelijk apparaat zou zeer effectief tremoren of epileptische aanvallen bij patiënten kunnen voorkomen. De elektrische handtekeningen die voorafgaan aan de eigenlijke aanval of een tremor zijn echter uiterst subtiel. Ook de frequentie en sterkte van de gewenste elektrische stimulatie die deze tremoren of toevallen kan voorkomen, is ook erg gevoelig. Dat is de reden waarom kleine aanpassingen voor bepaalde patiënten meestal jaren duren voordat een dergelijk apparaat in staat is om een optimale behandeling te bieden. Als deze uitdagingen adequaat worden aangepakt, kan er een duidelijke toename van resultaten en toegankelijkheid zijn.
In een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering , wilden onderzoekers dat het apparaat het best mogelijke resultaat voor een patiënt zou opleveren door optimale stimulatie te bieden. Dit is alleen mogelijk door de patronen of neurale signalen te beluisteren én te registreren. Het registreren en stimuleren van elektrische signalen is echter zeer uitdagend, omdat de grote pulsen die door stimulatie worden afgegeven, de elektrische signalen in de hersenen kunnen overbelasten. Het probleem met de huidige diepe hersenstimulatoren is dat ze niet tegelijkertijd kunnen 'registreren' en stimulatie kunnen 'afgeven' aan hetzelfde hersengebied. Dit aspect is cruciaal voor elke closed-loop therapie en een dergelijk apparaat is momenteel niet commercieel of anderszins beschikbaar.
Dit is waar de uitzonderlijkheid van WAND in beeld komt. Onderzoekers ontwierpen op maat gemaakte WAND-circuits die complete signalen kunnen 'opnemen' van zowel de subtiele hersengolven als van sterkere elektrische pulsaties. Het aftrekken van signaal van elektrische pulsaties resulteert in een duidelijker signaal van de hersengolven, wat geen van de bestaande apparaten kan. Dus gelijktijdige stimulatie en opname in hetzelfde gebied van de hersenen brengt ons de exacte gebeurtenissen die kunnen worden gebruikt om een ideale therapie te ontwerpen. WAND maakt herprogrammering mogelijk voor gebruik in verschillende toepassingen. In een live-experiment op apen was het WAND-apparaat bedreven in het detecteren van neurale handtekeningen en was vervolgens in staat om de gewenste elektrische stimulatie te leveren. Voor het eerst is aangetoond dat een gesloten-lussysteem deze twee taken samen uitvoert.
***
Bron (nen)
Zhou A et al 2018. Een draadloos en artefactvrij 128-kanaals neuromodulatieapparaat voor closed-loop stimulatie en opname bij niet-menselijke primaten. Natuur Biomedische Technologie.
https://doi.org/10.1038/s41551-018-0323-x
***
