Omicron Technology Ltd.
Avtor: Thamarasee Jeewandara
2019_279_05
Sistem induktivne povezave. (b) Konceptualna shema opto nevrostimulatorja z brezžičnim pogonom in njegova namestitev nad možgansko skorjo poskusne živali.
Optične naprave za vsaditev, ki jih uporabljamo v zvezi z nevroni, je mogoče z optogenetsko tehnologijo izboljšati z uporabo miniaturnih tuljav, ki so manjše od zrna riža. Znanstveniki lahko povzročajo svetlobne impulze s pomočjo metode za vklop ali izklop izločanja proteinov v gensko spremenjenih nevronih. Nevroznanstveniki so doslej za nadzor in zbiranje podatkov iz takih eksperimentalnih nastavitev uporabljali šope kablov in baterij. V nedavni študiji pa so Wasif Khan in skupina raziskovalcev na interdisciplinarnih oddelkih za elektrotehniko in računalniško inženirstvo ter fiziologijo v ZDA razvila popolnoma brezžični prototip, ki v celoti nadomešča dosedanjo obsežno strojno opremo in baterijsko napajanje.
Ekipa je povezala mikroskopsko majhno svetlečo diodo (LED) z dvema tuljavama velikostnega razreda enega milimetra in tako ustvarila induktivni polnilni sistem, ki je poskusni laboratorijski živali (podgana) dovajal energijo neposredno na biološko varnih frekvencah. Brezžična povezava je spodbudila nevrone v vidni možganski skorji, hkrati pa ohranjala mejo zvišanja temperature pod 1°C kar velja kot kritični varnostni prag za biomedicinske vsadke. Rezultati raziskav so objavljeni v publikacijah Microsystems in Nanoengineering.
Khan je predstavil enokanalni nevrostimulator, ki vsebuje odsevno mikroskopsko majhno svetlečo diodo (µLED) z integrirano majhno brezžično sprejemno tuljavo (RX) v velikostnem razredu enega milimetra. Eksperimentalna nastavitev je omogočala prosto gibljivo nevromodulacijo optogenetike brez baterijskega napajanja in kakršnihkoli povezav. Uporabili so induktivno vez s sistemom dveh tuljav, s čimer je na voljo neprekinjen vir napajanja z nizko delovno frekvenco (<100 MHz) tudi za neprekinjeno optično stimulacijo.
Postopek je pokazal minimalno invazivnost in izpostavljenost tkiva elektromagnetnim sevanjem. Ko so mikroskopski odsevnik povezali na µLED, je optični odsevnik pokazal znatno povečano intenzivnost svetlobe v primerjavi z golo µLED. Znanstveniki so nadzirali delovno temperaturo naprave za biokompatibilnost vsadkov in izvedli poskuse na živih laboratorijskih podganah, ki so jim sledile histološke študije za preverjanje učinkovitosti brezžične optične stimulacije v primarni vidni skorji poskusnih živali. Postopek so vizualizirali s pomočjo bio-markerja c-Fos, ki se je na imuno-obarvanju obarval zeleno in sicer kot indikator svetlobno povzročene nevronske aktivnosti.
Odkritja in izumi v nevroznanosti so v zadnjem času hitro napredovali pri uspešni klinični uporabi, predvsem po zaslugi napredka na področju polprevodniških vsadkov v nevrobioloških sistemih. Znanstveniki lahko na primer v novem medicinskem pristopu uporabijo “elektroenergetike”, ki jih je mogoče vsaditi in s katerimi je mogoče med terapevtskimi posegi vplivati na centralni in periferni živčni sistem. Kot rezultat tega je optogenetika našla celo vrsto novih aplikacij v nevroznanosti, v katerih oddajajo svetlobo v nevronska tkiva, ki nas zanimajo, medtem pa zbirajo odčitke iz celic z uporabo ciljnih kontrolnih orodij.
Sposobnost vsaditve miniaturnih optičnih virov, zapisovalnih elektrod, senzorjev in drugih komponent na določena območja možganov je povrnila optimizem za dolgoročno diagnostiko in terapijo v prihodnosti. S takšnim razvojem lahko znanstveniki preučijo prenos primarnih senzoričnih informacij na določena področja možganov, vključno z globinsko, vidno in slušno regijo. Uporabijo lahko tudi tehniko za razumevanje celic, ki poganjajo ali zavirajo temeljne bioaktivnosti, kot so lakota, žeja, energijsko ravnovesje in dihanje prek vzorcev aktivnosti.
Za natančno uporabo v medicini mora biti optogenetika sposobna delovati na nevronsko populacijo, ne da bi spremenila naravno vedenje poskusnih živali. Pionirsko delo raziskovalcev na tem področju je privedlo do razvoja več optimiziranih nevrostimulatorjev z radiofrekvenco (RF) na srednjih razdaljah in brezžičnim prenosom energije na večje razdalje. Vendar znanstveniki za zdaj še ne morejo poročali o popolnoma miniaturiziranem vsadku in visokonapetostnem stimulatorju, ki bi omogočal natančen nadzor nad stimulacijo parametrov, ki nas zanimajo. Za idealne brezžične optične vsadke namreč veljajo naslednje zahteve:
- biti morajo miniaturni, največ v območju milimetra (mm), s čimer se prepreči invazivno kirurško okužbo, vnetja in po-operacijsko travmo,
- dovolj visoko učinkovit prenos energije in komunikacijo na dolge razdalje do ciljnih nevronov v bolj oddaljenih nevronskih regijah v možganih s končnim ciljem uporabe pri ljudeh.
Pomemben izziv pri inženiringu takšnih vsadkov je energija, ki je potrebna za optično aktiviranje optogenetskih opsinov, ki običajno znašajo nekaj mWs, kar je več od vrednosti, ki je potrebna za običajno električno stimulacijo ali podatkovno komunikacijo. Za reševanje tega izziva so Khan in njegovi sodelavci predlagali vsadek, popolnoma vsadljiv mini brezžični optični stimulator, ki zagotavlja zadostno količino energije za µLED operacije – ne da bi presegel zgornjo mejo delovne temperature. Predlagali so sistem tuljavice magnetnega oddajnika (TX) in tuljavico.
V preverjenem konceptu prototipa je Khan s sodelavci uporabil modro µLED (z valovno dolžino 465 nm), sevalne površine 270 µm x 220 µm in z njo optično vzbudil nevrone k izločanju kanal-rodopsina. Za potrditev funkcionalnosti naprave na poskusni živali so znanstveniki v laboratoriju postavili Tx tuljavo izven možganov in jo induktivno povezali z Rx tuljavo, ki je bila integrirana v µLED nevrostimulator, ta pa s kraniotomijo nameščen v notranjost lobanje. Znanstveniki so uporabili metodo prosto plavajoče metode za epiduralno optično nevromodulacijo v kraniotomski votlini, ki se nahaja na vrhu možganske ovojnice.
Znanstveniki so preizkusili površinsko morfologijo prototipa s skenirajočo elektronsko mikroskopijo, da so opazovali matriko votline po izotropnem jedkanju silicija in površinsko aluminijasto prevleko. Nato so preizkusili hrapavost površine z uporabo mikroskopije z atomsko silo, s čimer so želeli zaznati površine, ki so ustvarile zanemarljivo razpršitev svetlobe, da bi lahko optimalno povečali intenzivnost svetlobe, potem pa na mizi laboratorija z induktivnim napajanjem aktivirali nevrostimulator. Znanstveniki so v inženiring vključili tudi Parilen-c zaradi prirojene biokompatibilnosti materiala, čeprav so (kot že prej) opazili potencialno nevarnost za pojav razpok, ki so posledica visokih temperatur v procesu izdelave.
Khan je s sodelavci simuliral elektromagnetne lastnosti induktivne povezave med Rx in Tx tuljavama z uporabo metode končnih elementov (FEM) in visokofrekvenčnega strukturnega stimulatorja (HFSS); s čimer so prikazali podobnosti med simulirano Tx tuljavo in tistimi, ki so dejansko izdelane. Znanstveniki so raziskali njegove optične lastnosti in pokazali, da lahko nevrostimulator doseže globoke možganske celice manj invazivno v primerjavi z valovodom ali globinskimi sondami. Medtem, ko so podatki pokazali odlične optične lastnosti stimulatorja z reflektorskim sevalnikom, pa se je intenzivnost močno zmanjšala pri debelejših tkivih. Intenzivnost stimulatorja, reflektorskim sevalnikom, je bila v tem delu bistveno večja v primerjavi z golim stimulatorjem za učinkovito globoko možgansko stimulacijo brez globokega fizičnega prodiranja v možgansko tkivo. Khan in njegovi sodelavci so podobno testirali in optimizirali toplotne lastnosti, elektromagnetne lastnosti in učinkovitost prenosa moči prototipa nevrostimulatorja. Za izvedbo translacijskih študij na živalskem modelu so znanstveniki predlagali vsaditev tuljave resonatorja med lobanjo in kožo brez žičnih povezav na Tx ali Rx tuljavo.
Znanstveniki so nato izvedli poskuse na živih poskusnih transfektiranih podganah (infekcija z vnašanjem tuje DNK v celice), nato pa izvedli ustrezne kirurške postopke. Temu so sledili poskusi s imunohistokemijskimi testi za potrditev učinkovitosti postopka celične transfekcije in postopka optične stimulacije pri podganah, ki ji sledi. Med transfekcijo so z virusno raztopino pri poskusnih živalih sprožili izločanje kanalhodopsina-2 in nato namestili stimulator skupaj s tuljavico na primarni vidni korteks (V1 reženj) iste živali za kasnejšo optično stimulacijo. Znanstveniki so navitje stimulatorja za napajanje brezžično povezali s Tx tuljavo in uporabili drugi delček V1 iste živali kot kontrolni vzorec.
Po zaključku eksperimentov na živih živalih so znanstveniki analizirali izločanje c-Fos (zeleno barvilo) v stimuliranem v primerjavi s tistim v nestimuliranem reženju, da bi ugotovili nevronsko aktivnost. Khan je s sodelavci pri delu uporabljali imunobiološke teste in opazili povišano izločanje c-Fos (zeleno) znotraj z virusom okužene skorje (rdeče), ki jo povzroča LED stimulacija eksperimentalnega nevrostimulatorja.
Na ta način je Khan s sodelavci zasnoval, izdelal in v praksi preizkusil brezžični enokanalni optični nevrostimulator za optogenetsko nevromodulacijo z reflektorskim svetlobnim sevalnikom, ki energijo za svoje delovanje prejema brezžično prek sprejemne tuljave v velikostnem razredu enega milimetra. Stimulator, ki je povezan z reflektorjem, je pri tem omogočil večjo zmogljivost v primerjavi z golo µLED. Znanstveniki so preučevali delovanje telemetrične povezave med dvema tuljavama z uporabo modelov analitičnih vezij, stimulacij FEM in eksperimentalnih pristopov. Preverili so potencial takšnega nevrostimulatorja na živi laboratorijski podgani z regulirano celično aktivnostjo, izzvano z optično stimulacijo. Khan si bo v nadaljnjih raziskavah skupaj s svojimi sodelavci v prizadeval doseči najvišjo še mogočo stopnjo miniaturizacije podobnih pripomočkov za uporabo v nevrobioloških aplikacijah.4
Vir: https://phys.org/news/2019-06-biotechnology-wireless-power-tiny-neural.html
