Tema

Vävnadsvänliga mikroelektroder avslöjar hur hjärnan fungerar

För att studera hur hjärnan fungerar och utveckla nya tekniker för behandling av neurologiska sjukdomar har forskare vid Lunds universitet utvecklat vävnadsvänliga och flexibla mikroelektroder som är ungefär en tiondel så tjocka som ett hårstrå. 

Hjärnan är den mest komplicerade struktur vi känner till och den ligger bakom vår intelligens, kreativitet, tankar, minnen, känslor och våra sinnesintryck. Man har liknat den vid en dator men likheten haltar eftersom vi inte ens är nära att förstå hur vår hjärna fungerar. En viktig pusselbit som saknats är vävnadsvänliga elektroder för att under lång tid lyssna på och interagera med enskilda nervceller uppkopplade i nätverk. Sådana elektroder har Jens Schouenborgs forskargrupp vid Lunds universitet under många år forskat kring och utvecklat.

– Vi har tagit avgörande kliv mot målet att uppnå helt biokompatibla elektroder som inte stör den normala signaleringen mellan nervcellerna i hjärnvävnaden, säger Jens Schouenborg, professor som leder forskningsverksamheten vid Neuronano Research Center vid Lunds universitet.

Modeller av Parkinson

För att utvärdera de nya elektroderna arbetar de bland annat med modeller av Parkinsons sjukdom, en sjukdom som innebär att nervceller i ett visst område i hjärnan bryts ned. När det sker kan stimulering via implanterade elektroder, ofta benämnd Deep Brain Stimulation (DBS), användas som behandling för att minska de motoriska symptom som patienter drabbas av.

Men det finns utmaningar. Med de elektroder som används idag, är det ofta svårt att få till en behandlande effekt utan biverkningar. Bland annat då de är så pass stora i förhållande till de vävnadsområden som stimuleras, vilket gör det svårt att undvika spridning av elektrisk ström till oönskade områden i hjärnan. Eftersom inflammation och ärrvävnad (den så kallade ”främmande kroppreaktionen”) regelbundet bildas runt sådana elektroder, måste dessutom starkare strömmar användas för att få en effekt.

Kluster av många mikroelektroder

Detta har forskargruppen vid Lunds universitet velat lösa. Deras koncept bygger på att använda många väldigt små mikroelektroder som sprids ut som ett kluster i målvävnaden och därefter välja ut de mikroelektroder som vid stimulering ger terapeutisk effekt utan synlig biverkan.

Med dessa elektroder kommer forskarna väldigt nära inpå nervcellerna. Det innebär att strömstyrkan som används inte behöver vara lika stark, vilket minskar risken för oönskade effekter. Men ger det terapeutisk effekt?

– Vi ser effekt, med råge. Särskilt om vi kombinerar 4-8 mikroelektroder inom klustret, och kanske viktigast: vi kan undvika biverkningar. Det kan i framtiden innebära att man genom att testa olika kombinationer kan skräddarsy behandlingen för varje patient efter målbild och symtom, något som vi nu utvärderar i större djurmodeller tillsammans med Neuronano AB och Jens Christian Hedemann Sörensens forskningsgrupp vid Århus Universitetssjukhus.

Inbäddade i gelatin

– Eftersom elektroderna är så flexibla måste de ha stöd när de planteras in. Forskargruppen har utvecklat en teknik där elektroderna inbäddas i hårt gelatin som efter implantationen löses upp och därefter bryts ned av hjärnans enzymer. Men gelatin är samtidigt väldigt svårarbetat och komplicerat material, suckar Jens Schouenborg.

Elektrodkonstruktion som forskargruppen tagit fram som består av ytterst tunna guldelektroder som mjukt kan följa med i hjärnans rörelser och därmed ge stabila registreringar av intilliggande nervceller. Myntet till vänster är en engelsk penny. Bild: NRC

Det är till exempel lätt hänt att elektroden blir sned om det är minsta asymmetri i torkprocessen. Men det har varit värt besväret – i slutändan har vi nu en lösning som ger avsevärt mindre påverkan på vävnaden än tidigare elektroder.

– Gruppen har också kommit mycket närmare att kunna registrera signaleringen i hjärnan under normala fysiologiska (autentiska) förhållanden, vilket inte varit möjligt tidigare. Den så kallade främmande kroppreaktionen har i det närmaste eliminerats och vi har till synes helt normala opåverkade nervceller alldeles inpå elektroderna, säger Jens Schouenborg.

Den nya generation av mikroelektroder som gruppen utvecklat ger extremt hög och stabil signalkvalitet under lång tid. Detta öppnar upp för helt nya möjligheter att förstå hur hjärnan faktiskt fungerar.

Gruppens forskning på implanterbara elektroder startade 2006 och har krävt ett tvärvetenskapligt förhållningssätt med utveckling och validering av helt nya koncept, metoder och tekniker.

– Det har varit en snårig resa med många problem som behövde lösas, men det gick. Vi har kommit en bra bit på väg mot målet och har nu en helt ny teknikarsenal för att ta oss an de stora frågorna inom hjärnforskningen och för terapeutiska ändamål. Men det återstår fortfarande en del arbete innan vi är helt i mål.

Tre av doktoranderna i forskargruppen har precis disputerat. Hur känns det att alla tre disputerar inom så kort tid?

– Väldigt bra faktiskt!

Bättre teknik nödvändig för att förstå hjärnan

Vi är inte ens är nära att förstå hur vår hjärna fungerar. Det saknas forskningsverktyg för att under lång tid lyssna och interagera med enskilda nervceller som samspelar i nätverk.

– Vår verksamhet syftar till att fylla denna brist på verktyg som kan användas för att lyssna och även interagera med den informationsbehandling som pågår i hjärnans olika nervcells kretsar när vi är vakna eller när vi sover, säger Jens Schouenborg.

Sådan teknik skulle kunna användas för att förstå hur hjärnan bearbetar information, lagrar och återkallar minnen men också för att förstå de bakomliggande mekanismerna för degenerativa sjukdomar som Alzheimers eller Parkinsons sjukdom eller vid epilepsi eller narkolepsi. Särskilt viktigt är teknik som gör det möjligt att registrera kommunikationen mellan nervcellerna i hjärnan under ostörda normala förhållanden. För detta krävs implanterbara elektroder som så lite som möjligt påverkar signaleringen i hjärnan.

– Vi har därför strävat mot att uppnå fysiologiska förhållanden i vävnaden också omedelbart runt elektroderna (det vill säga på mikrometer-avstånd). Dagens elektroder är långt ifrån att uppfylla detta vilket innebär att den informationsbehandling man kunnat utläsa hittills inte motsvarat vad som normalt pågår i den vakna eller sovande hjärnan. Vi ser nu en betydligt högre aktivitet i hjärnan än vad som observerats tidigare.

Denna flaskhals inom neurovetenskapen är anledningen till vårt fokus på att förstå och ringa in de problem som ligger bakom vävnadsreaktioner och förlust av nervceller i närområdet. I takt med att förståelsen ökat har vi utvecklat allt mer biokompatibla elektroder men också skonsammare implantationsmetoder.

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Vävnadsvänliga mikroelektroder avslöjar hur hjärnan fungerar

 lästid ~ 5 min