Беспроводной кортикальный стимулятор мозга испытали на двух пациентах

В терапии ряда неврологических заболеваний и реабилитации после травмы спинного мозга сегодня все чаще используются имплантируемые миниатюрные устройства для электрической стимуляции центральной нервной системы. Однако, несмотря на доказанную клиническую эффективность, уровень внедрения таких методов, как глубокая стимуляция мозга (DBS), составляет всего 5–10%. Среди основных ограничивающих факторов — страх пациентов, высокая стоимость процедуры, проблема питания имплантируемых устройств (и, соответственно, проблема их размера, так как батарея является самым крупным их компонентом).

Биоинженеры из Университета Райса в сотрудничестве с компанией Motif Neurotech разработали и опробовали на человеке самый маленький на сегодняшний день имплантируемый кортикальный стимулятор — программируемое цифровым способом устройство для терапии на головном мозге (Digitally programmable Over-brain Therapeutic, DOT).

Размеры устройства составляют 9 × 9 × 11 мм. В стеклянном корпусе, покрытом сверху силиконовой оболочкой, находится печатная плата с необходимыми электронными компонентами. Питание платы осуществляется с помощью двух магнитоэлектрических антенн (magnetoelectric antenna, МЕ) в виде пленок размером 7,5 × 3 мм, подключенных параллельно и работающих на резонансной частоте 218 кГц. Электроды, через которые осуществляется стимуляция, представляют собой напыление из оксида иридия на торцевых крышках корпуса.

Для питания импланта и передачи на него информации разработчики использовали передатчик с трехслойной магнитной катушкой диаметром 6 см. Он генерирует переменное магнитное поле напряженностью не более 7 мТл на резонансной частоте ME-антенн, достаточно низкой для того, чтобы излучение практически без потерь проникало сквозь живые ткани. Многослойная катушка приемника находится между передатчиком и кожей головы для связи по восходящей линии.

DOT размещается в черепе пациента в отверстии диаметром 14 мм, при этом нижний (стимулирующий) электрод контактирует с интактной твердой мозговой оболочкой, а верхний (возвратный) — с интерстициальной жидкостью паренхимы головного мозга. Передатчик размещается на поверхности кожи над устройством.

Исследователи запрограммировали устройство на подачу стимулирующих импульсов длительностью 250 и 500 мкс в диапазоне от ±6,75 В до ±14,5 В с шагом 250 мВ, что при импедансе примерно 1 кОм (in vivo) соответствует силе тока от 6,75 до 14,5 мА.

В одном из экспериментов DOT размещали прямо на ткани головного мозга в области моторной коры пациента во время операции по удалению опухоли головного мозга. Устройство было запрограммировано на подачу стимулирующих импульсов (длительность 250 мкс, частота 500 Гц), причем стимуляция велась последовательностями из 10 импульсов с частотой 1 Гц и двухфазной амплитудой 14,5 В. При этом наблюдались сокращения мышц кисти руки (движения большого пальца) с частотой 1 Гц, подтверждая таким образом возможность направленной активации моторной коры.

В ходе второго исследования DOT разместили поверх твердой мозговой оболочки другого пациента. При этом также происходило движение большого пальца в ответ на стимуляцию с амплитудой выше 10 В, а реакция мышц, управляющих движениями пальцев, наблюдалась уже при амплитуде 8 В (саму реакцию мышц отследили при помощи электронейромиографии).

Наконец, в ходе третьего эксперимента ученые проверяли реакцию живых тканей на DOT в течение длительного времени. Для этого устройство имплантировали на твердую мозговую оболочку свиней, чей мозг анатомически очень схож с человеческим. На протяжении всего эксперимента (от 20 до 35 дней) ученые наблюдали двигательную активность (движения копытом) в ответ на стимуляцию, при этом болевых реакций у животных не отмечалось.

Исследователи считают, что их разработка может произвести революцию в лечении терапевтически резистентной депрессии и других неврологических заболеваний, так как является менее инвазивной, а также более автономной и доступной для пациентов, чем другие средства прямой коммуникации «мозг – компьютер» (BCI). Вся процедура имплантации стимулятора будет занимать всего 30 минут. Последствия процедуры будут незаметны внешне, а пациент сможет отправиться домой в тот же день. Ученые считают, что установка DOT имеет все шансы стать рутинной процедурой, такой же, как установка кардиостимулятора.

Систему также можно расширить до нескольких имплантов с беспроводным питанием, активация которых будет осуществляться по заданным схемам для более точной модуляции активности головного мозга, в том числе и зон, связанных с памятью и эмоциями. Аналогичные системы можно использовать и для активации заданных участков спинного мозга с целью восстановления двигательной активности или при лечении болевых синдромов.

Глубокая стимуляция мозжечка восстановила подвижность рук после инсульта