Ingenieure haben ein drahtloses „Gehirn“ entwickelt Schrittmacher', das Zittern oder Krampfanfälle bei Patienten mit neurologischen Störungen erkennen und verhindern kann
Laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) Neurologische Erkrankungen betreffen weltweit mehr als eine Milliarde Menschen und verursachen jährlich mehr als 6 Millionen Todesfälle. Zu diesen Störungen zählen Epilepsie, Alzheimer-Krankheit, Hirnschlag oder Verletzungen und Parkinson-Krankheit. Die Auswirkungen dieser Krankheiten sind sowohl in Industrie- als auch in Entwicklungsländern vorhanden, und oft ist eine Behandlung aufgrund eines Mangels an einem geeigneten Gesundheitssystem, geschultem Personal oder anderen Faktoren nicht verfügbar. Die Weltbevölkerung altert und laut WHO wird in den nächsten 30 bis 40 Jahren mehr als die Hälfte der Bevölkerung über 65 Jahre alt sein. Es ist wichtig zu verstehen, dass neurologische Erkrankungen in naher Zukunft eine enorme gesundheitliche Belastung darstellen werden
Ein „Schrittmacher“ für das Gehirn
Ingenieure der University of California in Berkeley, USA, haben einen neuartigen Neurostimulator entwickelt, der gleichzeitig elektrischen Strom im Gehirn abhören („aufzeichnen“) und gleichzeitig stimulieren („abgeben“) kann. Ein solches Gerät kann eine perfektionierte personalisierte Behandlung für Patienten bieten, die an neurologischen Störungen, insbesondere Parkinson und Epilepsie, leiden. Das Gerät trägt den Namen WAND (Wireless Artefakt-freies Neuromodulationsgerät) und könnte auch als „Wireless Artefakt-freies Neuromodulationsgerät“ bezeichnet werden.Hirnschrittmacher' ähnlich dem Herzen Schrittmacher – ein winziges, batteriebetriebenes Gerät, das erkennt, wenn das Herz unregelmäßig schlägt, und dann ein Signal an das Herz sendet, um den gewünschten richtigen Rhythmus zu erreichen. Ebenso das Gehirn Schrittmacher ist in der Lage, die elektrische Aktivität des Gehirns drahtlos und autonom zu überwachen und sobald es gelernt hat, Anzeichen oder Merkmale eines Zitterns zu erkennen oder Beschlagnahme Im Gehirn kann das Gerät die Stimulationsparameter selbst anpassen, indem es die „richtige“ elektrische Stimulation abgibt, wenn etwas nicht in Ordnung ist. Es ist ein geschlossenes Regelkreissystem, das sowohl aufzeichnen als auch stimulieren kann und die verschiedenen Parameter in Echtzeit anpassen kann. WAND ist in der Lage, die elektrische Aktivität im Gehirn über mehr als 125 Kanäle in einem geschlossenen System aufzuzeichnen. Für eine praktische Demonstration zeigten die Forscher, dass WAND in der Lage war, bei Affenaffen (Rhesusaffen) sehr spezifische Armbewegungen erfolgreich zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um erfolgreich zu verzögern.
Herausforderungen mit früheren Geräten
Eine der größten Herausforderungen bei der Suche nach der richtigen Therapie für einen Patienten mit einer neurologischen Erkrankung ist die lange Zeit der ersten Verfahrensfindung und die damit verbundenen hohen Kosten. Jedes solche Gerät könnte Zittern oder Krampfanfälle bei Patienten sehr effektiv verhindern. Die elektrischen Signaturen, die vor dem eigentlichen Anfall oder einem Zittern auftreten, sind jedoch äußerst subtil. Auch die Frequenz und Stärke der gewünschten elektrischen Stimulation, die diese Zittern oder Anfälle verhindern kann, ist ebenfalls sehr empfindlich. Das ist der Grund, warum kleine Anpassungen für bestimmte Patienten in der Regel Jahre dauern, bis ein solches Gerät eine optimale Behandlung bieten kann. Wenn diese Herausforderungen angemessen bewältigt werden, kann es zu einer deutlichen Verbesserung der Ergebnisse und der Zugänglichkeit kommen.
In einer neuen Studie veröffentlicht in Natur Biomedizintechnik, wollten die Forscher, dass das Gerät dem Patienten das bestmögliche Ergebnis liefert, indem es eine optimale Stimulation bietet. Dies ist nur durch das Zuhören sowie das Aufzeichnen der Muster oder neuronalen Signaturen zu erreichen. Das Aufzeichnen und Stimulieren elektrischer Signale ist jedoch eine große Herausforderung, da große Pulsationen, die durch die Stimulation abgegeben werden, die elektrischen Signale im Gehirn überfordern können. Das Problem bei aktuellen Tiefenhirnstimulatoren besteht darin, dass sie nicht in der Lage sind, die Stimulation in derselben Hirnregion „aufzuzeichnen“ und gleichzeitig „abzugeben“. Dieser Aspekt ist der wichtigste für jede Therapie mit geschlossenem Kreislauf, und kein solches Gerät ist derzeit kommerziell oder anderweitig erhältlich.
Hier kommt die Außergewöhnlichkeit von WAND ins Spiel. Die Forscher entwarfen maßgeschneiderte WAND-Schaltungen, die vollständige Signale sowohl von den subtilen Gehirnwellen als auch von stärkeren elektrischen Pulsationen „aufzeichnen“ können. Die Subtraktion des Signals von den elektrischen Pulsationen führt zu einem klareren Signal aus den Gehirnwellen, was keines der existierenden Geräte kann. So vermittelt uns die gleichzeitige Stimulation und Aufzeichnung in derselben Hirnregion genau das Geschehen, mit dem sich eine optimale Therapie gestalten lässt. WAND ermöglicht die Neuprogrammierung zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen. In einem Live-Experiment an Affen konnte das WAND-Gerät neuronale Signaturen erkennen und konnte dann die gewünschte elektrische Stimulation abgeben. Erstmals wurde ein Closed-Loop-System demonstriert, das diese beiden Aufgaben gemeinsam erfüllt.
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Quelle (n)
Zhou A et al 2018. Ein drahtloses und artefaktfreies 128-Kanal-Neuromodulationsgerät für die Closed-Loop-Stimulation und Aufzeichnung bei nicht-menschlichen Primaten. Natur Biomedizintechnik.
https://doi.org/10.1038/s41551-018-0323-x
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