1
Das Gerät mit dem Namen WAND funktioniert wie ein „Schrittmacher für das Gehirn“, überwacht die elektrische Aktivität des Gehirns und gibt elektrische Stimulation ab, wenn es etwas falsch erkennt.
Diese Geräte können äußerst wirksam sein, um schwächendes Zittern oder Krampfanfälle bei Patienten mit einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen zu verhindern. Aber die elektrischen Signaturen, die einem Anfall oder Tremor vorausgehen, können extrem subtil sein, und die Frequenz und Stärke der elektrischen Stimulation, die erforderlich ist, um sie zu verhindern, ist ebenso empfindlich. Es kann Jahre kleiner Anpassungen durch Ärzte dauern, bis die Geräte eine optimale Behandlung bieten.WAND, was für Wireless artifact-free neuromodulation device steht, ist sowohl drahtlos als auch autonom, was bedeutet, dass es, sobald es lernt, die Anzeichen von Tremor oder Anfall zu erkennen, die Stimulationsparameter selbst anpassen kann, um die unerwünschten Bewegungen zu verhindern. Und weil es geschlossen ist – was bedeutet, dass es gleichzeitig stimulieren und aufnehmen kann -, kann es diese Parameter in Echtzeit anpassen.
„Der Prozess, die richtige Therapie für einen Patienten zu finden, ist extrem kostspielig und kann Jahre dauern. Eine signifikante Reduzierung der Kosten und der Dauer kann möglicherweise zu erheblich verbesserten Ergebnissen und Zugänglichkeit führen „, sagte Rikky Muller, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Informatik in Berkeley. „Wir möchten, dass das Gerät herausfinden kann, wie ein bestimmter Patient am besten stimuliert werden kann, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Und das können Sie nur tun, indem Sie die neuronalen Signaturen abhören und aufzeichnen.“ZAUBERSTAB kann elektrische Aktivität über 128 Kanäle oder von 128 Punkten im Gehirn aufzeichnen, verglichen mit acht Kanälen in anderen geschlossenen Systemen. Um das Gerät zu demonstrieren, verwendete das Team ZAUBERSTAB, um bestimmte Armbewegungen bei Rhesusaffen zu erkennen und zu verzögern. Das Gerät wird in einer heute erschienenen Studie (Dez. 31) in der Natur Biomedizinische Technik.
Wellen in einem Teich
Die gleichzeitige Stimulierung und Aufzeichnung elektrischer Signale im Gehirn ist ähnlich wie der Versuch, kleine Wellen in einem Teich zu sehen und gleichzeitig die Füße zu spritzen – die elektrischen Signale vom Gehirn werden von den großen elektrischen Impulsen der Stimulation überwältigt.Derzeit stoppen Tiefenhirnstimulatoren entweder die Aufzeichnung, während sie die elektrische Stimulation abgeben, oder sie zeichnen an einem anderen Teil des Gehirns auf, von wo aus die Stimulation angewendet wird – im Wesentlichen messen sie die kleinen Wellen an einem anderen Punkt im Teich als das Spritzen.“Um Closed-Loop-Stimulationstherapien zu liefern, die ein großes Ziel für Menschen sind, die Parkinson und Epilepsie und eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen behandeln, ist es sehr wichtig, neuronale Aufnahmen und Stimulation gleichzeitig durchzuführen, was derzeit kein einziges kommerzielles Gerät tut“, sagte die ehemalige UC Berkeley Postdoktorandin Samantha Santacruz, die jetzt Assistenzprofessorin an der University of Texas in Austin ist.
Forscher bei Cortera Neurotechnologies, Inc., unter der Leitung von Rikky Muller, entwarf die ersten benutzerdefinierten integrierten Schaltungen, die das volle Signal sowohl von den subtilen Gehirnwellen als auch von den starken elektrischen Impulsen aufzeichnen können. Dieses Chip-Design ermöglicht es IHNEN, das Signal von den elektrischen Impulsen zu subtrahieren, was zu einem sauberen Signal von den Gehirnwellen führt.
Bestehende Geräte sind so eingestellt, dass sie Signale nur von den kleineren Gehirnwellen aufzeichnen und von den großen Stimulationsimpulsen überwältigt werden, was diese Art der Signalrekonstruktion unmöglich macht.“Weil wir tatsächlich in derselben Gehirnregion stimulieren und aufzeichnen können, wissen wir genau, was passiert, wenn wir eine Therapie durchführen“, sagte Müller.
In Zusammenarbeit mit dem Labor für Elektrotechnik und Informatik Professor Jan Rabaey, baute das Team ein Plattformgerät mit drahtlosen und Closed-Loop-Rechenfunktionen, die für den Einsatz in einer Vielzahl von Forschungs- und klinischen Anwendungen programmiert werden können.In Experimenten, die von Santacruz, einem Postdoc an der UC Berkeley, und dem Professor für Elektrotechnik und Informatik Jose Carmena geleitet wurden, wurde den Probanden beigebracht, einen Joystick zu verwenden, um einen Cursor an eine bestimmte Stelle zu bewegen. Nach einer Trainingszeit war das Stabgerät in der Lage, die neuronalen Signaturen zu erkennen, die auftraten, als sich die Probanden auf die Ausführung der Bewegung vorbereiteten, und dann eine elektrische Stimulation abzugeben, die die Bewegung verzögerte.“Während die Verzögerung der Reaktionszeit bereits zuvor nachgewiesen wurde, ist dies unseres Wissens das erste Mal, dass sie in einem geschlossenen System nachgewiesen wurde, das nur auf einer neurologischen Aufzeichnung basiert“, sagte Müller.“In Zukunft wollen wir das Lernen in unsere Closed-Loop-Plattform integrieren, um intelligente Geräte zu entwickeln, die herausfinden können, wie Sie am besten behandelt werden können, und den Arzt davon abhalten, ständig in diesen Prozess eingreifen zu müssen“, sagte Müller.