En lille chip i nakken kan gøre blinde seende

Videnskabelige nybrud 14. maj 2023 4 min Senior Researcher Anpan Han, Associate Professor; Fried.Shelley@mgh.harvard.edu Shelley I. Fried Skrevet af Morten Busch

Synet er efter manges opfattelse den mest grundlæggende af menneskets sanser. Hos millioner af mennesker verden over går evnen til at se dog tabt, hvilket har en voldsom indvirkning på deres daglige liv. Et team af neuroforskere, ingeniører og medicinere er med projektet iVision i fuld gang med at kunne give synet tilbage til mennesker, der har mistet det eller aldrig har haft det. Ved hjælp af signaler sendt gennem mikroskopiske magnetiske spoler kan øjets funktion overflødiggøres og genskabe billeder af virkeligheden i hjernens visuelle cortex. Endnu står enkelte store tekniske udfordringer i vejen for at realisere drømmen.

Man kan fremkalde en følelse af svimmelhed ved at holde en magnetspole over en persons hoved. Den simple observation blev gjort for længe siden, men har sidenhen igangsat et væld af forsøg for at undersøge, hvordan elektromagneter påvirke hjernen, men også for at udnytte det til at behandle mennesker. Siden 2002 har man med stor succes behandlet depression via korte magnetiske impulser for at stimulere nerveceller i bestemte områder af hjernen. Teknikken kaldes transcranial magnetic stimulation – TMS. Nu skal samme princip give synet tilbage til mennesker der ikke kan se.

”Vi tager et par briller, sætter et kamera på, og så kommer det signal, der opfanges i hjernen, via et implantat i det visuelle cortex. På den måde forbigår vi og genskaber kunstigt en kopi i hjernen. Det er tidligere forsøgt med elektriske impulser, men med magnetisk stimulering kan du skabe et mere kontrolleret og fokuseret signal. Udfordringen er at fremstille mikroskopiske magnetspoler, der skaber et kraftigt nok signal, uden at vi skal sende for høj strøm gennem hjernen,” forklarer seniorforsker Anpan Han fra DTU Construct på Danmarks Tekniske Universitet.

Implanterbare mikrospoler

Selvom forskere den dag i dag ikke fuldt ud forstår, hvordan Transcranial Magnetic Stimulation virker, så har behandlingen vist sig som en kæmpe succes og en uvurderlig metode til at give terapeutisk stimulering af hjernen i forbindelse med sygdomme i hjertekredsløb samt sensoriske og neurologiske sygdomme. Teknikken inspirerede samtidig til en ny generation af implanterbare magnetiske stimuleringsanordninger.

”Det var en helt ny måde at stimulere nerver på. Hvis man stimulerer med en elektrode, så får man et monopol-felt, dvs. at det elektriske felt er spredt ud i alle retninger. Hvis man tager en magnetisk spole, skaber man et dipolt felt i nerverne – som en lille magnet, der har en retning. Det er det, der gør det interessant for kunstigt syn, fordi det er nemmere at kontrollere og fokusere påvirkningen og gøre den kortere og mere præcis,” siger Anpan Han.

Den magnetiske stimulering havde dog store begrænsninger især til behandling af kroniske lidelser og til påvirkning af hjernecentre dybt inde i hjerne. De magnetiske spoler var simpelthen for store. Det blev løst, da amerikanske forskere fra Harvard Medical School skabte de første implanterbare mikrospoler – på engelsk microcoils – der var 0,5 gange 1 mm store. En af hovedkræfterne bag det studie, Shelley I. Fried, lektor ved Department of Neurosurgery, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, USA er også helt central i iVision-projektet.

”Mens de konventionelle elektroder mangler evnen til effektivt at begrænse neural aktivitet til fokale områder omkring hver elektrode, kan man med de mikroskopiske spoler selektivt aktivere nogle neuroner, såsom de vertikalt orienterede neuroner, mens man undgår andre, såsom horisontalt orienterede. Dette sikrer fokaliteten af de kunstigt fremkaldte signaler frem for diffus spredning,” forklarer han.

Større og mere slørede

Hver region af cortex (auditiv, somatosensorisk, visuel, osv.) har den samme generelle arkitektur, hvor pyramidale neuroner integrerer information fra mange andre typer af nærliggende neuroner og derefter overfører den resulterende beregning til både lokale og fjerne mål. Nærliggende klynger af pyramidale neuroner i den visuelle cortex behandler information om en enkelt del af den visuelle verden. 

"Når vi opfatter en lille lysplet eller prikken over bogstavet i, aktiveres kun nogle få pyramidale neuroner i en lille region af cortex. Hvis mange yderligere nærliggende pyramidale neuroner bliver aktiveret (med kunstig stimulation), opfatter vi stedet som større og mere slørede," forklarer Shelley I. Fried.

Pyramidale neuroner omtales nogle gange som projektionsneuroner, fordi de er de eneste, der sender signaler til andre områder af cortex og andre områder af hjernen. Evnen til kun at aktivere pyramidale neuroner (som er vertikalt orienteret i cortex) uden også at aktivere fibrene, der forbinder nabopyramideneuroner (som er horisontalt orienterede), er således vigtig. Parallelle kredsløb findes i den auditive og somatosensoriske cortex, men behandler kun henholdsvis auditiv eller somatosensorisk information. Derfor er de mikroskopiske magnetspoler særdeles lovende.

”For at vurdere effektiviteten har vi testet både de klassiske elektroder og mikrospoler i bedøvede mus, og mens regionen, som er aktiveret af elektriske stimulering, ofte strakte sig mere end 1 mm fra stimulationsstedet, så var regionen aktiveret ved magnetisk stimulation begrænset til et meget mindre område omkring stimuleringsstedet. Så det tyder på, at magnetisk stimulering muligvis kan producere syn med højere skarphed,” siger Shelley I. Fried.

Ikke nogen hjerne der kan tåle det

Forskerne bag iVision håber med de nye mikrospoler at begrænse spredningen af signalet fra den stimulerende elektrode til det lokale område og dermed kunne skabe et implantat, der i højere grad kan kopiere de mønstre af neural aktivitet, der normalt optræder fysiologisk hos mennesker med et velfungerende syn.

”I dag eksisterer der allerede implantater, men de giver ikke høj opløsning. En anden potentiel fordel ved mikrospoler er, at magnetiske felter lettere passerer gennem biologiske materiale og er mindre modtagelige for ændringer i ​​vævet, der omgiver implantatet. Derfor er der også grund til at tro, at mikrospolerne vil være mere sikre og mere stabile over tid end de konventionelle elektrode-baserede implantater,” fortæller Shelley I. Fried.

Endnu mangler forskerne at løse den måske allerstørste udfordring. Selve fremstillingen af mikrospolerne er nemlig langt fra triviel.

”Vi bruger chipteknologi, og den er beregnet til at lave tingene på en flade, og en spole er jo per definition ikke flad. Så lige nu har vi kun kunnet fremstille en halv spole frem for en hel. Det betyder, at vi lige nu er nødt til at sætte en meget og al for høj strømstyrke på. Fordi hver kanal kan bruge omkring 100 milliampere, vil 1 megapixel implantat kræve 100.000 ampere. Det er der ikke nogen hjerne, der kan tåle,” siger Anpan Han.

Det er derfor nødvendigt at skabe et kraftigere magnetfelt, som vil sænke strømkravet til at aktivere neuroner. Den måde, fysikere normalt får forstærket et magnetfelt, er ved at sætte flere vindinger på, og så kan man forstærke magnetfeltet yderligere ved at sætte et magnetisk materiale ind i midten.

”For at minimere vævsskader skal implantatet også være så tyndt og lille som muligt. Det er utrolig svært at lave de her spoler, så de er små nok, med nok vindinger og med en kerne i midten. Men ved hjælp af avancerede litografiske og tyndfilmsdiamant kan vi skære de her spoler ud i silicium, der har en stivhed til at lave meget små og minimalt vævsbeskadigende chips. Det er aldrig gjort før, så der findes ikke en manuel, men vi er godt på vej og helt overbeviste om, at vi en dag kan hjælpe mennesker til at få deres syn tilbage eller se for første gang nogensinde,” slutter Anpan Han.

MEMS micro-coils for magnetic neurostimulation” er udgivet i Biosensors and Bioelectronics. Projektet er støttet af Lundbeckfonden, Marie og M.B. Richters Fond og United States National Institutes of Health BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies®) Initiative. I 2020 tildelte Novo Nordisk Fonden en Exploratory Interdisciplinary Synergy Programme-bevilling til medforfattere Anpan Han, Changsi Cai, Martin Lauritzen og Shelley I. Fried til projektet ”iVision: Microcoil-based Cortical Implant for Restoration of Vision to the Blind”.

DTU Civil and Mechanical Engineering develops and utilises science and technical knowledge for the benefit of society and the sustainable development....

The Fried Lab focuses on understanding how and why CNS neurons respond to artificial stimulation as well as the development of new and more effective...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020