Ingenjörer vid Rice University har utvecklat den minsta implanterbara hjärnstimulator som demonstrerats i en mänsklig patient. Tack vare banbrytande magnetoelektrisk kraftöverföringsteknik kan den ärtstora enheten, som utvecklats i Jacob Robinsons Rice-laboratorium i samarbete med Motif Neurotech och klinikerna Dr. Sameer Sheth och Dr. Sunil Sheth, drivas trådlöst via en extern sändare och användas för att stimulera hjärnan genom duran – det skyddande membran som fästs på undersidan av skallen.
Enheten, som kallas Digitally programmable Over-brain Therapeutic (DOT), kan revolutionera behandlingen av läkemedelsresistent depression och andra psykiatriska eller neurologiska sjukdomar genom att erbjuda ett terapeutiskt alternativ som ger större patientautonomi och tillgänglighet än nuvarande neurostimuleringsbaserade terapier och är mindre invasiv än andra hjärn-datorgränssnitt (BCI).
”I den här artikeln visar vi att vår enhet, som är lika stor som en ärta, kan aktivera den motoriska hjärnbarken, vilket leder till att patienten rör handen”, säger Robinson, professor i elektro- och datateknik samt bioteknik vid Rice. ”I framtiden kan vi placera implantatet ovanför andra delar av hjärnan, som den prefrontala cortex, där vi förväntar oss att förbättra den exekutiva funktionen hos personer med depression eller andra sjukdomar.”
Befintlig implanterbar teknik för hjärnstimulering drivs av relativt stora batterier som måste placeras under huden någon annanstans i kroppen och anslutas till stimuleringsenheten via långa kablar. Sådana konstruktionsbegränsningar kräver fler kirurgiska ingrepp och innebär att individen utsätts för en större börda i form av hårdvaruimplantation, risker för trådbrott eller fel och behov av framtida batteribytesoperationer.
”Vi eliminerade behovet av ett batteri genom att trådlöst driva enheten med hjälp av en extern sändare”, förklarar Joshua Woods, doktorand i elektroteknik vid Robinson-laboratoriet och huvudförfattare till studien som publicerats i Science Advances. Amanda Singer, en tidigare doktorand i Rices program för tillämpad fysik som nu arbetar på Motif Neurotech, är också en av huvudförfattarna.
Tekniken bygger på ett material som omvandlar magnetfält till elektriska pulser. Denna omvandlingsprocess är mycket effektiv i små skalor och har god tolerans mot feljusteringar, vilket innebär att den inte kräver komplexa eller små manövrer för att aktiveras och styras. Enheten har en bredd på 9 millimeter och kan leverera 14,5 volts stimulering.
”Vårt implantat får all sin energi genom den magnetoelektriska effekten”, säger Robinson, som är grundare och VD för Motif, ett startup-företag som arbetar för att få ut enheten på marknaden. ”Den fysikaliska kraftöverföringen gör detta mycket mer effektivt än någon annan teknik för trådlös kraftöverföring under dessa förhållanden.”
Motif är ett av flera neuroteknikföretag som undersöker BCI:s potential att revolutionera behandlingar av neurologiska sjukdomar.
”Neurostimulering är nyckeln till att möjliggöra behandlingar inom mental hälsa där läkemedelsbiverkningar och bristande effektivitet gör att många människor saknar adekvata behandlingsalternativ”, säger Robinson.
Forskarna testade enheten tillfälligt på en människa och använde den för att stimulera motorcortex – den del av hjärnan som ansvarar för rörelser – och generera en handrörelse. Därefter visade de att enheten har ett stabilt gränssnitt mot hjärnan under en 30-dagarsperiod i grisar.
”Detta har inte gjorts tidigare eftersom kvaliteten och styrkan på den signal som behövs för att stimulera hjärnan genom duran tidigare var omöjlig med trådlös kraftöverföring för så små implantat”, säger Woods.
Robinson föreställer sig att tekniken kan användas bekvämt i hemmet. En läkare skulle ordinera behandlingen och ge riktlinjer för hur enheten ska användas, men patienterna skulle behålla fullständig kontroll över hur behandlingen administreras.
”Hemma tar patienten på sig sin hatt eller bärbara enhet för att driva och kommunicera med implantatet, trycker ’go’ på sin iPhone eller smartwatch och sedan aktiverar den elektriska stimulansen från implantatet ett neuronalt nätverk i hjärnan”, säger Robinson.
Implantationen skulle kräva ett minimalt invasivt ingrepp på 30 minuter där enheten placeras i benet ovanför hjärnan. Både implantatet och snittet skulle vara praktiskt taget osynliga, och patienten skulle kunna åka hem samma dag.
”När man tänker på en pacemaker är det en mycket rutinmässig del av hjärtvården”, säger Sheth, professor och vice ordförande för forskning, McNair Scholar och Cullen Foundation Endowed Chair of Neurosurgery vid Baylor College of Medicine. ”Vid neurologiska och psykiatriska sjukdomar är motsvarigheten djup hjärnstimulering (DBS), vilket låter skrämmande och invasivt. DBS är faktiskt en ganska säker procedur, men det är fortfarande hjärnkirurgi, och den upplevda risken kommer att sätta ett mycket lågt tak för antalet personer som är villiga att acceptera det och som kan dra nytta av det. Det är här teknik som denna kommer in i bilden. Ett mindre ingrepp på 30 minuter som inte är mycket mer än hudkirurgi, och som görs på en öppenvårdsklinik, har mycket större sannolikhet att tolereras än DBS. Så om vi kan visa att den är ungefär lika effektiv som mer invasiva alternativ kommer den här behandlingen sannolikt att få en mycket större inverkan på den mentala hälsan.”
För vissa tillstånd, t.ex. epilepsi, kan enheten behöva vara påslagen permanent eller större delen av tiden, men för störningar som depression och OCD kan en stimulering på bara några minuter per dag vara tillräcklig för att åstadkomma de önskade förändringarna i funktionen hos det neuronala nätverk som behandlingen är inriktad på.
När det gäller nästa steg sade Robinson att han på forskningssidan ”verkligen är intresserad av idén att skapa nätverk av implantat och skapa implantat som kan stimulera och registrera, så att de kan tillhandahålla adaptiva personliga terapier baserade på din egen hjärnsignatur”. När det gäller den terapeutiska utvecklingen håller Motif Neurotech på att ansöka om FDA-godkännande för en långsiktig klinisk studie på människor. Patienter och vårdgivare kan registrera sig på Motif Neurotechs webbplats för att få veta när och var dessa prövningar kommer att inledas.
Ytterligare information: Joshua E. Woods et al, Miniature battery-free epidural cortical stimulators, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn0858
