Koolstof nanobuisvezels die zijn uitgevonden aan de Rice University, kunnen de beste manier zijn om rechtstreeks met de hersenen te communiceren.

De vezels zijn superieur gebleken aan metalen elektroden voor diepe hersenstimulatie en voor het lezen van signalen van een neuronaal netwerk. Omdat ze een tweerichtingsverbinding bieden, ze zijn veelbelovend voor de behandeling van patiënten met neurologische aandoeningen, terwijl ze de realtime respons van neurale circuits bewaken in gebieden die beweging controleren, stemming en lichaamsfuncties.

Nieuwe experimenten bij Rice hebben aangetoond dat de biocompatibele vezels ideale kandidaten zijn voor kleine, veilige elektroden die interageren met het neuronale systeem van de hersenen, volgens de onderzoekers. Ze zouden veel grotere elektroden kunnen vervangen die momenteel worden gebruikt in apparaten voor diepe hersenstimulatietherapieën bij patiënten met de ziekte van Parkinson.

Ze kunnen ook technologieën bevorderen om sensorische of motorische functies en hersen-machine-interfaces te herstellen, evenals therapieën voor diepe hersenstimulatie voor andere neurologische aandoeningen, waaronder dystonie en depressie, schreven de onderzoekers.

Het artikel verscheen deze week online in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

De vezels die zijn gemaakt door het Rice-lab van chemicus en chemisch ingenieur Matteo Pasquali, bestaan ​​uit bundels lange nanobuisjes die oorspronkelijk bedoeld waren voor ruimtevaarttoepassingen waar sterkte, gewicht en geleidbaarheid staan ​​voorop.

De afzonderlijke nanobuisjes meten slechts enkele nanometers doorsnee, maar wanneer miljoenen worden gebundeld in een proces dat nat spinnen wordt genoemd, ze worden draadachtige vezels van ongeveer een kwart van de breedte van een mensenhaar.

"We hebben deze vezels ontwikkeld als zeer sterke, materialen met hoge geleidbaarheid, "Zei Pasquali. "Toch, toen we ze eenmaal in onze hand hadden, we realiseerden ons dat ze een onverwachte eigenschap hadden:ze zijn erg zacht, net als een zijden draad. Hun unieke combinatie van kracht, geleidbaarheid en zachtheid maakt ze ideaal voor interfacing met de elektrische functie van het menselijk lichaam."

De gelijktijdige aankomst in 2012 van Caleb Kemere, een assistent-professor van Rice die expertise inbracht in diermodellen van de ziekte van Parkinson, en hoofdauteur Flavia Vitale, een onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Pasquali met diploma's in chemische en biomedische technologie, gaf aanleiding tot het onderzoek.

"De hersenen zijn in feite de consistentie van pudding en werken niet goed samen met stijve metalen elektroden, "Zei Kemere. "De droom is om elektroden te hebben met dezelfde consistentie, en daarom zijn we erg enthousiast over deze flexibele koolstofnanobuisjes en hun biocompatibiliteit op lange termijn."

Wekenlange tests op cellen en vervolgens op ratten met Parkinson-symptomen toonden aan dat de vezels stabiel en net zo efficiënt zijn als commerciële platina-elektroden bij slechts een fractie van de grootte. De zachte vezels veroorzaakten weinig ontstekingen, wat hielp om sterke elektrische verbindingen met neuronen te behouden door te voorkomen dat de afweer van het lichaam littekens veroorzaakt en de plaats van de verwonding inkapselt.

De sterk geleidende koolstof nanobuisvezels vertonen ook een veel gunstigere impedantie - de kwaliteit van de elektrische verbinding - dan de modernste metalen elektroden, zorgen voor een beter contact bij lagere spanningen gedurende lange perioden, zei Kemere.

Het werkende uiteinde van de vezel is de blootgestelde punt, dat is ongeveer de breedte van een neuron. De rest is omhuld met een drie micron laag van een flexibele, biocompatibel polymeer met uitstekende isolerende eigenschappen.

De uitdaging zit hem in het plaatsen van de tips. "Dat is eigenlijk gewoon een kwestie van een hersenatlas hebben, en tijdens het experiment de elektroden heel fijn afstellen en op de juiste plaats zetten, " zei Kemere, wiens laboratorium manieren bestudeert om signaalverwerkingssystemen en de geheugen- en cognitieve centra van de hersenen met elkaar te verbinden.

Artsen die apparaten voor diepe hersenstimulatie implanteren, beginnen met een opnamesonde die kan "luisteren" naar neuronen die karakteristieke signalen uitzenden, afhankelijk van hun functies, zei Kemere. Zodra een chirurg de juiste plek heeft gevonden, de sonde wordt verwijderd en de stimulatie-elektrode voorzichtig ingebracht. Rijstkoolstof nanobuisvezels die signalen verzenden en ontvangen zouden implantatie vereenvoudigen, zei Vitale.

De vezels kunnen leiden tot zelfregulerende therapeutische apparaten voor Parkinson en andere patiënten. De huidige apparaten omvatten een implantaat dat elektrische signalen naar de hersenen stuurt om de trillingen te kalmeren die Parkinsonpatiënten teisteren.

"Maar onze technologie maakt het mogelijk om op te nemen en tegelijkertijd te stimuleren, "Zei Vitale. "De huidige elektroden kunnen alleen weefsel stimuleren. Ze zijn te groot om piekactiviteit te detecteren, dus eigenlijk sturen de klinische apparaten continue pulsen, ongeacht de reactie van de hersenen."

Kemere voorziet een closed-loop systeem dat neuronale signalen kan lezen en de stimulatietherapie in realtime kan aanpassen. Hij verwacht een apparaat te bouwen met veel elektroden die afzonderlijk kunnen worden geadresseerd om fijne controle over stimulatie en monitoring te krijgen vanaf een kleine, implanteerbaar apparaat.

"Interessant, geleidbaarheid is niet de belangrijkste elektrische eigenschap van de nanobuisvezels, " zei Pasquali. "Deze vezels zijn intrinsiek poreus en extreem stabiel, die beide grote voordelen zijn ten opzichte van metalen elektroden voor het detecteren van elektrochemische signalen en het gedurende lange tijd behouden van prestaties."