Stentrodes: Cara Memasukkan Elektroda Otak Tanpa Operasi Invasif

Ketika kita memikirkan antarmuka otak-komputer (BCI) yang menggunakan elektroda, kita biasanya memikirkan susunan Utah yang ditempatkan langsung di otak selama operasi otak terbuka, atau dengan elektroda tipis yang disambungkan ke otak yang terbuka seperti yang didalilkan oleh Neuralink. Sementara susunan dan kerabat Utah sebagai konsep praktis dimulai pada tahun 1980-an, konsep yang lebih baru yang disebut Stentrodes – untuk susunan elektroda stent – ​​berupaya menghilangkan kebutuhan akan operasi otak invasif.

Seperti namanya, pendekatan ini menggunakan stent yang dimasukkan melalui pembuluh darah, di mana mereka diperluas dan dengan demikian ditempatkan dengan kuat di dalam pembuluh darah di dalam otak. Karena masing-masing stent ini juga memiliki susunan elektroda, ini dapat digunakan untuk merekam aktivitas saraf di kluster saraf terdekat, serta menginduksi aktivitas melalui stimulasi listrik.

Karena fakta bahwa stent sudah umum digunakan sendiri di pembuluh darah otak, dan susunan elektroda ini relatif jinak, uji coba pada manusia telah disetujui pada tahun 2018 oleh komite etika di Australia. Meskipun masih ada kekhawatiran tentang resolusi dan kinerja yang dapat dicapai dari pendekatan ini, pendekatan ini mungkin menawarkan harapan bagi jutaan orang yang menderita kelumpuhan dan kondisi lainnya.

Menggunakan Infrastruktur yang Ada

Arteri otak.  (Kredit: MedlinePlus, NIH)
Arteri otak. (Kredit: MedlinePlus, NIH)

Otak manusia adalah dari semua organ tubuh yang paling bergantung pada pasokan oksigen dan nutrisi yang konstan untuk berfungsi dan bertahan hidup, dan dengan demikian memiliki jaringan pembuluh darah yang sangat padat yang mempersarafi setiap bagian. Sementara banyak dari pembuluh darah ini terlalu sempit untuk intervensi medis seperti stent serebrovaskular, dimulai dengan arteri dan vena jugularis, sebagian besar pembuluh darah otak dapat diakses.

Dalam kasus Stentrode, pendekatan serupa digunakan seperti pada stent biasa, dengan menggunakan kawat pemandu, perangkat dipandu ke posisinya melalui vena jugularis dan pelacakan eksternal untuk memastikannya mencapai lokasi yang sesuai sebelum dipasang. Selama beberapa minggu stent berlabuh sepenuhnya ke bagian dalam pembuluh darah, di mana stent dapat tetap berada hampir tanpa batas untuk memberikan dukungan mekanis atau fungsi lain apa pun yang diperlukan.

Sementara untuk pengobatan kondisi serebrovaskular menggunakan stent, tidak ada pertanyaan mengapa Anda ingin menggunakan pendekatan ini – karena satu-satunya tujuan adalah memasang stent pendukung di dalam pembuluh darah – dalam kasus rangkaian elektroda yang seharusnya berinteraksi dengan neuron otak ada pertanyaan mengapa Anda ingin memilih pendekatan ini.

Utah array menggambar dari paten Richard Normann. Bagian ini masuk ke otak Anda.

Jawaban yang jelas adalah bahwa itu melibatkan operasi non-invasif, tanpa pembukaan tengkorak, dan sedikit risiko komplikasi seperti radang otak dan pengaruh buruk lainnya yang mungkin timbul dari operasi otak invasif. Ini membuatnya sangat berbeda dari pendekatan susunan Utah (atau mikroelektroda) standar, serta string elektroda yang diusulkan oleh Neuralink. Secara teoritis Stentrodes dapat ditempatkan di bawah anestesi lokal, dengan dasarnya nol waktu pemulihan setelah itu diperlukan.

Meskipun manfaatnya jelas di sini, pertanyaan yang tersisa adalah bagaimana kinerja Stentrodes dibandingkan dengan susunan elektroda lainnya, dan apakah Stentrodes menimbulkan risiko jangka panjang dalam hal pembekuan darah dan masalah kardiovaskular serupa, karena kebutuhan memiliki konduktor yang berjalan di dalam. vena serebral untuk melakukan sinyal ke dan dari array.

Memeriksa Studi

Penelitian pertama pada susunan elektroda stent endovaskular ini dilakukan sejauh tahun 1970-an (Penn et al., 1973), dengan Soldozy et al. (2020) memberikan tinjauan literatur sistematis dalam Journal of Neurosurgery. Seperti dicatat oleh Bower et al. (2013), untuk implan saraf tradisional diperlukan operasi transkranial, melalui lubang duri atau kraniotomi (pengangkatan sebagian tengkorak), yang membatasi daya tarik penggunaan implan intrakranial.

Dalam Bower et al. studi, mereka membandingkan elektroda intravaskular dengan elektroda subdural, menemukan respon rekaman serupa dengan aktivitas epilepsi yang diinduksi untuk keduanya. Dalam Opie dkk. (2016) studi proof-of-concept Implan stentrode digunakan untuk merangsang bagian korteks motorik domba dengan arus 4 mA -6 mA.

A: Diagram otak domba yang menunjukkan korteks motorik (merah), dan representasi somatotopik dari tungkai belakang (kuning), tungkai depan (hijau), kepala dan mata (biru), dan otot wajah (ungu).  B: Venogram yang ditingkatkan kontras dari domba yang menyoroti pembuluh kortikal.  Tanda bintang menunjukkan lokasi ujung stent yang diinginkan di A dan B. Batang = 2 cm.  C: Stent-electrode array (Stentrode) di dalam kateter pengiriman berdiameter internal 1,04 mm sebelum dipasang.  Batang = 1 cm.  D: Stentrode yang diperluas sepenuhnya.  Diterbitkan ulang dengan izin dari IOP Publishing, Ltd, dari spektroskopi impedansi kronis dari susunan elektroda stent endovaskular: Opie NL, John SE, Rind GS, et al., J Neural Eng 13(4): 046020, 2016.
SEBUAH: Diagram otak domba yang menunjukkan korteks motorik (merah), dan representasi somatotopik dari tungkai belakang (kuning), tungkai depan (hijau), kepala dan mata (biru), dan otot wajah (ungu). B: Venogram yang ditingkatkan kontras dari domba yang menyoroti pembuluh kortikal. Tanda bintang menunjukkan lokasi ujung stent yang diinginkan di A dan B. Batang = 2 cm. C: Susunan stent-elektroda (Stentrode) di dalam kateter pengiriman berdiameter internal 1,04 mm sebelum dipasang. Batang = 1 cm. D: Stentrode yang diperluas sepenuhnya. Diterbitkan ulang dengan izin dari IOP Publishing, Ltd, dari spektroskopi impedansi kronis dari susunan elektroda stent endovaskular: Opie NL, John SE, Rind GS, et al., J Neural Eng 13(4): 046020, 2016.

Dalam sebuah penelitian dengan dua domba yang hanya memiliki Stentrode, atau Stentrode serta implan susunan subdural dan epidural di kedua belahan otak, Forsyth et al. (2019) menemukan bahwa akurasi penentuan pergerakan domba dari data yang direkam sama baiknya jika tidak lebih baik hanya dengan Stentrode. Seiring dengan hasil misalnya John et al. (2019) yang melihat penelitian serupa dilakukan, ini menunjukkan bahwa Stentrodes mungkin merupakan implan BMI yang layak.

Ini kemudian sebagian besar meninggalkan pertanyaan tentang implikasi jangka panjang dari menjalankan kabel melalui pembuluh darah ini, terutama dalam hal pembekuan dan komplikasi yang berpotensi fatal lainnya. Dalam meta-analisis durasi studi maksimum dengan subyek domba hidup adalah 190 hari. Pada akhir penelitian, domba di-eutanasia dan otopsi dilakukan untuk menilai keadaan implan.

Perangkat yang digunakan terbuat dari Nitinol, yang tampaknya memiliki biokompatibilitas yang baik dan in-vivo diamati untuk menginduksi cakupan neointimal, yang menstabilkan dan mengikat bahan ke dalam dinding pembuluh darah. Kemungkinan ini juga akan mencegah pembentukan bekuan darah, meskipun studi jangka panjang diperlukan untuk kesimpulan yang solid di sini.

Subjek Tes Manusia

Array stentrode dengan unit transceiver.  (Kredit: Synchron Medical, Inc)
Array stentrode dengan unit transceiver. (Kredit: Synchron Medical, Inc)

Seperti disebutkan sebelumnya, sifat invasif minimal dari implan Stentrode dan adaptasinya terhadap perangkat dan teknik medis yang ada dan disetujui telah diuji coba pada subjek manusia. Perusahaan yang memasarkan Stentrode, Synchron Medical, saat ini sedang menjalankan uji klinis di beberapa lokasi di Australia. Penelitian ini menargetkan orang-orang yang pernah mengalami cedera atau memiliki kondisi yang membuat mereka tidak dapat menggunakan anggota tubuh mereka sepenuhnya.

Menggunakan apa yang disebut Synchron Neuroprosthesis Motor subjek ini ditanamkan dengan Stentrodes yang akan merekam aktivitas di korteks motorik mereka dan akhirnya mengembalikan kontrol otot ke tungkai pasien. Dengan penelitian yang baru dimulai pada Juni 2022, masih akan memakan waktu hingga akhir 2023 sebelum penelitian diharapkan memberikan hasil tentang apakah ini pengobatan yang layak untuk orang yang menderita kelumpuhan, tetapi yang masih memiliki korteks motorik fungsional.

Rincian lebih lanjut disediakan di situs web Synchron, yang mencantumkan uji klinis masa lalu, saat ini dan yang akan datang. Uji klinis yang baru saja dimulai mengikuti uji coba Switch 1, yang mengkonfirmasi biokompatibilitas perangkat pada subjek manusia. Uji klinis Command tampak mirip dengan uji coba Switch 2, tetapi berlangsung di AS. Subjek percobaan ditanamkan dengan perangkat Stentrode dan unit transceiver di dada, dengan komunikasi dengan transceiver tampaknya terjadi melalui Bluetooth.

Tidak Ada Peluru Perak

Seperti semua antarmuka otak-mesin, tetap penting untuk memahami keterbatasan teknologi saat ini. Salah satu aspek utama dari sebagian besar perangkat perekaman aktivitas otak yang digunakan saat ini dan dalam uji klinis adalah bahwa perangkat itu satu arah. Misalnya, mereka membaca aktivitas di korteks motorik dan menggunakan data itu untuk menafsirkan tindakan yang dimaksudkan dan melakukan gerakan anggota badan. Namun input sensorik dari bagian tubuh yang dimanipulasi tidak diberikan kembali ke korteks sensorik pasien, melainkan berakhir di sumsum tulang belakang atau di mana pun diskontinuitas dimulai.

Ini adalah sesuatu yang juga sedang dibahas dengan penelitian saat ini, tetapi tantangannya tetap untuk menyediakan antarmuka yang kuat antara sistem komputer dan sifat sistem biologis yang berubah-ubah. Idealnya kami dapat memberikan pemetaan 1:1 antara korteks motorik dan otot, dan kembali dari sensor ke bagian otak yang memproses sentuhan dan input sensorik lainnya, untuk mengembalikan fungsi biologis penuh.

Namun yang menggembirakan adalah melihat pendekatan yang beragam, berbeda, dan mungkin saling melengkapi digunakan dan dikembangkan. Bahkan jika kita belum memiliki cara yang sempurna untuk memperbaiki kerusakan akibat cedera dan penyakit, dengan upaya berkelanjutan kita akan menemukan cara untuk mengatasi masalah yang tersisa. Terlepas dari apakah solusi terbaik ternyata sepenuhnya listrik, terapi regeneratif dari jaringan yang tersisa, atau kombinasinya, itu adalah peningkatan kualitas hidup yang diberikan oleh terapi ini yang membuatnya sangat berharga untuk dikejar.