Инженеры разработали беспроводной «мозговой кардиостимулятор », способный обнаруживать и предотвращать тремор или судороги у пациентов, страдающих неврологическими расстройствами.
По данным Всемирной организации здравоохранения ( ВОЗ ), неврологические расстройства поражают более миллиарда человек во всем мире и ежегодно приводят к более чем 6 миллионам смертей. К этим расстройствам относятся эпилепсия, болезнь Альцгеймера , инсульт или травмы головного мозга, а также болезнь Паркинсона . Влияние этих заболеваний ощущается как в развитых, так и в развивающихся странах, и зачастую лечение недоступно из-за отсутствия надлежащей системы здравоохранения, квалифицированного персонала или других факторов. Население мира стареет, и, по данным ВОЗ, в ближайшие 30-40 лет более половины населения будет старше 65 лет. Крайне важно понимать, что неврологические расстройства в ближайшем будущем станут огромной проблемой здравоохранения.
Кардиостимулятор для мозга
Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли (США) разработали новый нейростимулятор, способный одновременно «слушать» («записывать») и «подавать» электрический ток в мозг. Такое устройство может обеспечить идеальное персонализированное лечение для пациентов, страдающих неврологическими расстройствами, в частности болезнью Паркинсона и эпилепсией. Устройство получило название WAND (беспроводное устройство нейромодуляции без артефактов) и может также называться « мозговым кардиостимулятором », подобно кардиостимулятору сердца — крошечному устройству с батарейным питанием, способному определять нерегулярное сердцебиение и подавать сигнал сердцу для достижения желаемого правильного ритма. Аналогично, мозговой кардиостимулятор способен беспроводным и автономным способом отслеживать электрическую активность мозга, и, научившись распознавать признаки тремора или судорог в мозге, устройство может самостоятельно корректировать параметры стимуляции, подавая «правильную» электрическую стимуляцию, когда что-то идет не так. Это система с замкнутым контуром, которая может как записывать, так и стимулировать сигналы, а также регулировать различные параметры в режиме реального времени. WAND способна регистрировать электрическую активность мозга по более чем 125 каналам в системе с замкнутым контуром. В качестве практической демонстрации исследователи показали, что WAND способна распознавать и принимать соответствующие меры для успешной задержки крайне специфических движений рук у приматов (резусов).
Проблемы с предыдущими устройствами
Одной из основных проблем при поиске правильной терапии для пациента с неврологическим заболеванием является длительная продолжительность первого поиска процедуры, а затем связанные с этим высокие затраты. Любое такое устройство могло бы очень эффективно предотвратить тремор или судороги у пациентов. Однако электрические сигнатуры, которые предшествуют настоящему припадку или тремору, очень малозаметны. Кроме того, частота и сила желаемой электростимуляции, которая предотвращает тремор или судороги, также очень чувствительны. Это причина того, что небольшая корректировка для конкретных пациентов обычно занимает годы, прежде чем любое такое устройство сможет обеспечить оптимальное лечение. Если эти проблемы решены надлежащим образом, может быть определенное увеличение результатов и доступности.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Biomedical Engineering , исследователи стремились создать устройство, которое обеспечивало бы наилучший возможный результат для пациента за счет оптимальной стимуляции. Этого можно достичь только путем прослушивания и записи паттернов или нейронных сигнатур. Однако запись и стимуляция электрических сигналов представляют собой очень сложную задачу, поскольку сильные пульсации, создаваемые стимуляцией, могут подавлять электрические сигналы в мозге. Проблема существующих глубоких стимуляторов мозга заключается в том, что они не способны одновременно «записывать» и «подавать» стимуляцию в одну и ту же область мозга. Этот аспект является наиболее важным для любой терапии с замкнутым контуром, и в настоящее время ни одно подобное устройство не доступно в коммерческой или иной форме.
Именно здесь проявляется исключительность WAND. Исследователи разработали индивидуальные схемы WAND, которые могут «записывать» полные сигналы как от тонких мозговых волн, так и от более сильных электрических пульсаций. Вычитание сигнала из электрических пульсаций приводит к более четкому сигналу мозговых волн, чего не может сделать ни одно из существующих устройств. Таким образом, одновременная стимуляция и запись в одной и той же области мозга сообщает нам о точных событиях, которые можно использовать для разработки идеальной терапии. WAND позволяет перепрограммировать для использования в различных приложениях. В живом эксперименте на обезьянах устройство WAND было способно обнаруживать нейронные сигнатуры и затем обеспечивать желаемую электрическую стимуляцию. Впервые была продемонстрирована замкнутая система для совместного выполнения этих двух задач.
Источник (ы)
Чжоу А. и др. 2018. Беспроводное 128-канальное устройство нейромодуляции без артефактов для стимуляции и записи с обратной связью у нечеловеческих приматов. Природа Биомедицинская инженерия.
https://doi.org/10.1038/s41551-018-0323-x
