Winziges, flexibles Wirbelsäulensondensystem könnte zu besseren Therapien führen

Das Rückenmark ist schwieriger zu erreichen und zu untersuchen als das Gehirn. Die Herausforderungen, die seine Mobilität und seine anatomische Struktur mit sich bringen, erschweren das Verständnis seiner genauen Funktionsweise.

Ingenieure der Rice University werden mit Kooperationspartnern zusammenarbeiten, um eine Reihe nanoelektronischer Fäden oder NETs zu optimieren, die bereits erfolgreich zur Erfassung hochpräziser Langzeitdaten von Neuronen im Gehirn eingesetzt werden und für den Einsatz in der Wirbelsäule verwendet werden. Unterstützt wird dies durch ein 6,25 Millionen US-Dollar teures Projekt -Jahres-Stipendium der National Institutes of Health.

Zusätzlich zur Aufzeichnung der neuronalen Aktivität können NET-Sonden eine abstimmbare, lokalisierte Stimulation benachbarter Neuronen ermöglichen. Rice-Neuroingenieure hoffen auch, die funktionelle Bandbreite von NETs zu maximieren, indem sie sie in ein größeres Datenverarbeitungssystem integrieren.

Das neue Tool könnte Neurowissenschaftlern dabei helfen, die Geheimnisse der Rückenmarksfunktion zu lüften und Patienten, die mit Verletzungen und anderen damit verbundenen Erkrankungen zu kämpfen haben, neue Hoffnung zu geben.

„Bisher haben wir kein gutes Verständnis davon, wie die Neuronen im Rückenmark tatsächlich funktionieren“, sagte Chong Xie, der Hauptforscher des Stipendiums und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik, Computertechnik und Neurotechnik. „Wenn Sie beispielsweise Ihre Arme bewegen oder herumlaufen, haben Sie die Absicht in Ihrem Gehirn und die Muskeln funktionieren genau so, wie Sie es möchten. Diese Umwandlung der ursprünglichen Absicht in spezifische Bewegungen jedes einzelnen Muskels wird im Rückenmark ausgeführt und umgesetzt, wo Schaltkreise aus vielen, vielen Neuronen für die Ausführung dieser Aufgabe verantwortlich sind. Aber wir wissen nicht genau, wie das erreicht wird.“

Der Einsatz von Elektroden zur Verfolgung der neuronalen Aktivität im Gehirn hat es Neurowissenschaftlern ermöglicht, viel über die Gehirnfunktion zu lernen. Die von Xie und Mitarbeitern entwickelten flexiblen NET-Sonden integrieren sich nahtlos in das Gehirngewebe und bieten eine bessere Leistung als starre Sonden, wenn sie zur Aufzeichnung elektrischer Informationen von einzelnen Neuronen im Gehirn verwendet werden.

Vorläufige Tests haben gezeigt, dass NET-Sonden qualitativ hochwertige Langzeitaufzeichnungen von Rückenmarksneuronen von Mäusen ermöglichen können. Allerdings wollen die Wissenschaftler NETs noch weiter an die spezifischen strukturellen und funktionellen Anforderungen des Rückenmarks anpassen.

Im Gehirn ist die Verteilung der Neuronen oder grauen Substanz und der Nervenfaserbündel, die als weiße Substanz bekannt sind, genau umgekehrt zur Anatomie des Rückenmarks.

„Wir bezeichnen dies normalerweise als die ‚von innen nach außen gerichtete Anatomie‘ des Rückenmarks“, sagte Lan Luan, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik und Co-Forscher des Stipendiums. „In der äußeren Schicht des Gehirns – der grauen Substanz – befinden sich die Neuronen, während sich die Fasern, die weiße Substanz genannt werden, im Inneren befinden. Im Rückenmark befinden sich die weiße Substanz oder Fasern an der Außenseite und schützen die Neuronen. Dadurch wird der Zugriff auf diese Neuronen schwieriger.“

Um einen besseren Zugang zu gewährleisten, planen Wissenschaftler die Entwicklung eines Sondendesigns, das klein genug ist, um an verschiedenen Stellen der Wirbelsäule implantiert zu werden, aber gleichzeitig über eine größere Tiefenabdeckung und genügend Kanäle verfügt, um Daten von Neuronen in einem Querschnitt des Rückenmarks zu erfassen.

Ein weiteres Ziel besteht darin, die Sonden zusätzlich zu ihrer Aufzeichnungsfunktion auch mit Stimulationsfähigkeiten auszustatten.

„Die Elektrode kann beides“, sagte Luan. „Dies hat eine direkte gesundheitliche Relevanz, denn für Patienten mit Rückenmarksverletzungen oder anderen Arten von Verletzungen könnte die Stimulation eine Möglichkeit sein, die Feinmotorik wiederherzustellen. Es gibt mehrere sehr erfolgreiche Technologien, die zeigen, dass die Stimulation des Rückenmarks lokale Bewegungen wiederherstellen kann. Um jedoch eine feinere motorische Kontrolle zu erreichen, müssen wir unserer Meinung nach in das Innere des Rückenmarks vordringen und einen größeren Zugang und eine größere Präzision für die Anwendung dieser Stimulation haben.“

Das Rückenmark spielt eine wichtige Rolle bei Schmerzprozessen. Daher könnte die Identifizierung der Rückenmarksneuronen, die direkt an der Weiterleitung von Schmerzsignalen beteiligt sind, die Tür zu besseren Therapien zur Schmerzbehandlung öffnen.

„Die Identifizierung der spezifischen Art von spinalen Neuronen, die eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Schmerzinformationen spielen, könnte möglicherweise die Entwicklung von Medikamenten ermöglichen, die genau auf diese Zellen abzielen“, sagte Xie. „Oder vielleicht können wir die Elektroden nutzen, um diese Neuronen zu stimulieren und ihre Aktivität so zu modulieren, dass sie das Schmerzsignal nicht an das Gehirn weiterleiten.“

Wissenschaftler planen, nicht nur das Sondendesign zu optimieren, sondern auch spinale NETs in ein extrem miniaturisiertes, integriertes Datenverarbeitungs- und Stimulations-Feedback-System zu integrieren.

Zusätzlich zur Entwicklung der Technologie haben Xie, Luan und ihr Team für eine Reihe mit dem Pfaff-Labor am Salk Institute for Biological Studies, dem Weber-Labor an der Carnegie Mellon University und den Basbaum- und Ganguly-Labors an der University of California in San Francisco zusammengearbeitet von Rückenmarksstudien, bei denen die Geräte in verschiedenen Wirbelsäulenregionen, Tiermodellen und Forschungsthemen getestet werden. Luan sagte, sie hoffe, dass die Entwicklung und Optimierung NET-basierter Technologie für die Rückenmarksforschung „ein Werkzeug bereitstellen würde, das der gesamten neurowissenschaftlichen Gemeinschaft dabei helfen kann, ein Ziel zu erreichen.“ „Meine wirkliche Hoffnung ist, dass Neurowissenschaftler in vier Jahren, am Ende dieses Projekts, in der Lage sein werden, neue Dinge zu sehen und zu tun, die mit der aktuellen Technologie unmöglich sind“, sagte Xie.

Auszeichnungsnummer: U01NS131086-01 Titel: „Optimierung ultraflexibler Elektroden und integrierter Elektronik für hochauflösende, groß angelegte intraspinale Aufzeichnung und Modulation“

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/04/230330_NIH-U01-Grant-Chong-Xie-Lan-Luan_1_LG.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Chong Xie (links) ist der Hauptermittler des Zuschusses und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik, Computertechnik und Neuroingenieurwesen an der Rice University. Lan Luan ist Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik und Co-Forscher des Stipendiums. (Foto von Gustavo Raskosky/Rice University)

Ingenieure erforschen die Quelle von Träumen und Gedanken:https://news.rice.edu/news/2022/engineers-explore-source-dreams-and-thoughts Sanfte Sonden könnten eine umfangreiche Erfassung von Gehirndaten ermöglichen:https://news.rice .edu/news/2020/gentle-probes-could-enable-massive-brain-data-collection Der Blutfluss erholt sich bei Mikroschlägen schneller als das Gehirn:https://news.rice.edu/news/2020/blood-flow- Erholt sich schneller von Gehirn-Mikroschlägen

Luan-Labor: https://www.luanlab.net/ Xie-Labor: https://www.chongxie.net/ Rice Neuroengineering Initiative: https://neuroengineering.rice.edu/ Rice Integrated Systems and Electromagnetics Lab (Chi-Gruppe) : https://chilab.info Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik: https://eceweb.rice.edu

Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 4.552 Studenten und 3.998 Doktoranden beträgt das Verhältnis zwischen Studenten und Dozenten an Rice knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viel Rassen-/Klasseninteraktion und auf Platz 4 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.