Skånsomt implantat kan lyse, lytte og give medicin i hjernen

Forskere fra blandt andet DTU, Københavns Universitet og University College London har udviklet en lang, nåletynd hjerneelektrode med kanaler – en såkaldt mikrofluidisk aksialtrode (mAxialtrode) – som gør det muligt både at måle hjernens signaler og levere medicin præcist langs implantatets længde. Forskningsresultaterne er offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Advanced Science.

Teknologien er først og fremmest udviklet til grundforskning i hjernen. Den kan hjælpe forskere med bedre at forstå, hvordan signaler bevæger sig på tværs af hjernelag, for eksempel ved epilepsi, hukommelse eller beslutningstagning. På længere sigt peger forskerne på, at mAxialtroden kan få betydning for behandling – f.eks. ved målrettet medicinlevering kombineret med elektrisk eller lysbaseret stimulation af bestemte hjerneområder.

Postdoc Kunyang Sui, der sammen med lektor Christos Markos fra DTU Electro har stået i spidsen for at udvikle mAxialtrode-konceptet, fremhæver, at den har gjort det muligt at kombinere flere funktioner i ét enkelt implantat. Det gør hjerneforskning mindre invasiv og mere præcis.

”De fleste nuværende hjerneimplantater er baseret på hårde materialer som silicium, der kan irritere hjernen og udløse betændelsesreaktioner i vævet. Det nye implantat adskiller sig ved at være lavet af bløde, plastlignende optiske fibre og en særlig vinklet spids, der gør det mindre og reducerer den skade, der opstår, når det placeres i hjernen,” siger Kunyang Sui.

Han understreger, at der stadig mangler omfattende test, videreudvikling og godkendelser, før teknologien kan anvendes i klinisk praksis.

I dag bruger hjerneforskere ofte almindelige optiske fibre med flad ende. Det er tynde glas- eller plastfibre, som kan føre lys dybt ind i hjernen, for eksempel til såkaldt optogenetik, hvor nerveceller aktiveres med lys. Ulempen er, at denne type fiber kun påvirker hjernen ét sted: helt ude i spidsen.

Den yderste ende kaldes den distale tip – altså fiberens 'næse'. Al lysudsendelse og al kontakt med hjernevævet foregår her. Det betyder, at forskere kun kan stimulere eller måle aktivitet i ét hjernelag ad gangen, selv om mange vigtige hjernefunktioner involverer samspil mellem flere lag og dybere områder.

Sådan er teknologien bygget

Den nåletynde mAxialtrode fremstilles ved en proces, hvor en stor plaststav opvarmes og trækkes ud til en meget tynd fiber. processen kan sammenlignes med at lave en sukkertråd, bare langt mere præcist. I midten løber en kerne, der leder lys. Rundt om ligger otte mikroskopiske kanaler, som kan føre væske, og som også kan rumme meget tynde metalledninger til elektriske målinger.

Fiberen er under en halv millimeter tyk og er så fleksibel, at den bevæger sig med hjernen i stedet for at skære gennem vævet. Netop forskellen i stivhed er vigtig, fordi hårde implantater ofte udløser betændelsesreaktioner i hjernen over tid.

Afprøvet teknologi

Forskerne har ikke kun testet teknologien i laboratoriet, men også ’in vivo’ – det vil sige på mus. Her blev mAxialtroden implanteret i hjernen og koblet til lyskilder, måleudstyr og små pumper til væsketilførsel.

Forsøgene viste, at forskerne kunne stimulere nerveceller med blåt og rødt lys, måle elektrisk aktivitet samtidig fra både overfladiske og dybere hjernelag, som hjernebarken og hippocampus, og sprøjte forskellige stoffer ud på forskellige dybder, op til næsten tre millimeter fra hinanden. Alle undersøgelser og stimulationer kunne gennemføres med én enkelt, let fiber, som dyrene kunne bære uden tydelige tegn på ubehag.

In vivo-eksperimenterne og den neurofysiologiske efterprøvning blev udført i tæt samarbejde med lektor Rune W. Berg fra Københavns Universitet og lektor Rob C. Wykes fra University College London.

Forskerne bag hjerneelektroden er ved at patentbeskytte den underliggende teknologi og afklare mulighederne for at teste elektroden på patienter på en klinisk afdeling.