Tvrde elektrode umetnute u mozak za liječenje Parkinsonove bolesti i paralize oštećuju meko tkivo organa. Novi izum bi to mogao promijeniti.
Naš svijet je naseljen stotinama hiljada kiborga. Neki su pacijenti s Parkinsonovom bolešću, koji mogu isključiti drhtanje aktiviranjem metalnih elektroda ugrađenih duboko u njihov mozak. Drugi — iako puno manje — potpuno su paralizirani ljudi koji mogu pomicati robotske udove svojim umom, zahvaljujući vlastitim implantatima. Takve tehnologije mogu radikalno poboljšati kvalitetu nečijeg života. Ali imaju veliki problem: metal i mozak se jako, jako loše slažu.
Mozgovi imaju teksturu želea – ako ih prejako pritisnete, raspast će se u krhke nakupine. Postoji nasilje u ispitivanju mozga žicama. “To je kao da zabadate nož u tkivo”, kaže Magnus Berggren, profesor organske elektronike na Sveučilištu Linköping u Švedskoj.
Još gore, dok elektrode ostaju relativno fiksirane na mjestu, mozak se klati i pomiče oko njih, uzrokujući još veću ozljedu. Tijelo reagira stvaranjem ožiljnog tkiva, koje postupno odvaja elektrodu od neurona koje bi trebalo snimati ili stimulirati. Zbog ožiljaka, Utah nizovi – sićušni uređaji poput četke za kosu koji se ugrađuju u mozgove paraliziranih ljudi – obično se uklanjaju nakon otprilike pet godina, a pacijenti koji su stekli sposobnost kretanja ili govora ponovno postaju tihi i mirni.
Znanstvenici su prepoznali veliku štetu koju elektrode mogu uzrokovati barem od 1950-ih. Generacije inženjera radile su na rješavanju problema izradom sve manjih i sve fleksibilnijih uređaja, ali oni imaju svoje nedostatke. Ne postoji dobar način da se fleksibilna elektroda ubaci duboko u mozak, a čak i kada se postave na površinu mozga, takve elektrode možda neće dobro funkcionirati tijekom dugih vremenskih razdoblja.
Ali Berggren i njegovi kolege misle da su možda razvili rješenje. Umjesto da naprave elektrodu izvan mozga i zatim je pokušaju implantirati, dizajnirali su gel koji se, kada se ubrizga u tjelesno tkivo, skruti u elektro vodljivi polimer. Proces se ne razlikuje od izlijevanja rastaljenog metala u kalup, osim što je gel naizgled bezopasan, a elektroda, nakon što se formira, jednako je mekana i pokretljiva kao i moždano tkivo oko nje.
Tim je u februaru svoje rezultate objavio u časopisu Science. Do sada su testirali materijal na živim zebricama i mrtvim pijavicama – u oba slučaja je formirao elektrode koje su mogle uspješno prenositi struju. A elektrode se čine sigurnima: zebrice su veselo plivale uokolo nakon što im je supstanca upumpana u glavu, a kada su znanstvenici ubili ribu i razrezali im mozak, nisu vidjeli nikakve ožiljke. Čak su se i neuroni koji su završili potpuno ugrađeni unutar elektroda činili zdravima.
Ljudi su, međutim, vrlo različite životinje, a Berggren iz iskustva zna da ono što djeluje u jednom organizmu ne funkcionira uvijek i u drugom. Za ovaj je projekt započeo pokušavajući upotrijebiti molekulu koju je već dizajnirao za stvaranje vodljivog polimera u biljkama. Ali kad je pokušao upotrijebiti molekulu na životinjama, ništa se nije dogodilo. “Prva godina ovog projekta bila je potpuni neuspjeh”, kaže on.
Naposljetku je Xenofon Strakosas, asistent profesora koji radi u Berggrenovom laboratoriju, shvatio problem: u biljkama vodikov peroksid pomaže da se ubrizgani materijal spoji, ali u životinjama nema dovoljno peroksida da bi reakcija djelovala. Stoga je Strakosas dodao neke dodatne elemente u mješavinu: enzim koji koristi glukozu ili laktat, koji su uobičajeni u životinjskim tkivima, za proizvodnju peroksida, i drugi enzim koji razgrađuje peroksid. Odjednom su se elektrode savršeno oblikovale.
Za stručnjake poput Marie Asplund, profesorice bioelektroničke mikrotehnologije na Tehnološkom sveučilištu Chalmers u Švedskoj, ideja o kovanju elektroda unutar tijela potpuno je nova. “Hemičari mogu učiniti da se dogode stvari koje nikad ne bih mogla zamisliti”, kaže ona. Ali Asplund, koja je provela više od desetljeća radeći na stvaranju elektroda koje su bolje prilagođene mozgu, još ne planira napustiti svoje provjerene metode za izradu elektroda. Kao prvo, ovaj novi alat nije testiran na sisavcima – i nitko ne zna koliko će trajati u tijelu. Što je najvažnije, iako bi elektrode mogle uspješno provoditi električne signale, Berggren i njegovi kolege nemaju rješenje za izbacivanje tih signala iz mozga tako da ih znanstvenici mogu vidjeti ili za slanje struje kako bi elektrode mogle koristiti za stimulaciju mozga.
Imaju brojne mogućnosti. Jedan bi bio da se izolirana žica zabode izravno u elektrodu kako bi se njeni signali prenosili iz dubine mozga do površine lubanje, gdje bi ih znanstvenici mogli mjeriti. Ta bi žica, međutim, mogla oštetiti moždano tkivo, što je upravo ono što tim pokušava izbjeći. Umjesto toga, mogli bi pokušati dizajnirati druge komponente koje bi se, poput elektrode, mogle same sastaviti unutar mozga, tako da se signal može bežično očitati izvana.
Ako Berggren i njegovi kolege smisle kako komunicirati sa svojim elektrodama, i dalje će se boriti da se natječu s najsuvremenijim uređajima poput Neuropixelsa, koji mogu snimati sa stotina neurona odjednom. Postizanje tog stupnja preciznosti s mekom elektrodom moglo bi se pokazati teškim, kaže Jacob Robinson, izvanredni profesor elektrotehnike i računalnog inženjerstva na Sveučilištu Rice u Teksasu. “Obično postoji kompromis između učinka i invazivnosti”, kaže on. “Inženjerski izazov je pomaknuti tu omotnicu.”
Barem za početak, moždana stimulacija bi mogla biti bolja primjena za meke elektrode, budući da ne zahtijeva veliku preciznost. Čak bi i neprecizne snimke mogle koristiti ljudima koji su potpuno paralizirani, kaže Aaron Batista, profesor bioinženjeringa na Sveučilištu u Pittsburghu koji istražuje sučelja mozak-računalo kod majmuna. Meke elektrode možda neće moći proizvesti tečan govor izravnim mjerenjem nečijih moždanih signala – ali za pacijente koji se uopće ne mogu pomicati, samo mogućnost prenošenja “da” ili “ne” napravila bi ogromnu razliku.
Međutim, polimerne elektrode nisu samo sigurnija, neurednija verzija tradicionalnih elektroda. Budući da nastaju samo u prisutnosti specifičnih tvari, mogu se koristiti za ciljanje dijelova mozga s određenim hemijskim profilima. Berggren i Strakosas planiraju fino podesiti svoj recept tako da se gel stvrdne samo u područjima mozga gdje ima puno dostupnog laktata – to jest, područjima koja su iznimno aktivna. Koristeći tu strategiju, mogli su ciljano ciljati na područje mozga gdje nečiji napadaji nastaju. Uskoro će testirati taj pristup na epileptičnim miševima. U načelu, također bi mogli stvoriti materijal koji ne koristi glukozu niti laktat, već neku drugu tvar koja pomaže u formiranju elektrode – na primjer, specifični neurotransmiter. Na taj bi način elektrode završile samo u dijelovima mozga s visokim sadržajem tog specifičnog neurotransmitera, što bi omogućilo neuroznanstvenicima da precizno ciljaju određene regije mozga.
Ako Berggren i njegov tim uspiju prevladati znanstvene prepreke koje su pred njima, njihov konačni zadatak bit će snalaženje u gustišu propisa koji reguliraju uređaje koji se koriste u medicinskim ustanovama. Nemoguće je predvidjeti koliko bi to moglo potrajati, pogotovo za tako nov materijal. Ali Batista svejedno smatra da ovo otkriće najavljuje novu eru u tehnologiji elektroda, ma koliko daleko bila.
“Ne mogu biti siguran da će itko tko danas živi dobiti fleksibilni elektronički neuralni implantat”, kaže. “Ali sada se čini vjerojatnim da jednog dana netko hoće.”
Članak „ The Quest for Injectable Brain Implants Has Begun “, autorke Grace Huckings, preveden je sa portala Wired.
