Η αναζήτηση για ενέσιμα εμφυτεύματα εγκεφάλου έχει ξεκινήσει

Σύνταξη – επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης

Τα ηλεκτρόδια που εισάγονται στον εγκέφαλο για τη θεραπεία της νόσου του Πάρκινσον και της παράλυσης, βλάπτουν τον μαλακό ιστό του οργάνου. Μια νέα εφεύρεση θα μπορούσε να αλλάξει αυτό για πάντα.

Ο κόσμος μας κατοικείται από εκατοντάδες χιλιάδες σάιμποργκ. Μερικοί είναι ασθενείς με Πάρκινσον, οι οποίοι μπορούν να ελέγξουν τα συμπτώματα τους ενεργοποιώντας μεταλλικά ηλεκτρόδια εμφυτευμένα βαθιά στον εγκέφαλό τους. Άλλοι – αν και πολύ λιγότεροι – ​​είναι  άνθρωποι με παράλυση που μπορούν να κινήσουν ρομποτικά άκρα με το μυαλό τους, χάρη στα δικά τους εμφυτεύματα. Τέτοιες τεχνολογίες θα μπορούσαν να βελτιώσουν ριζικά την ποιότητα ζωής κάποιων ανθρώπων. Δυστυχώς, έχουν ένα μεγάλο πρόβλημα: Το μέταλλο και ο εγκέφαλος έχουν πολύ κακή σχέση.

Οι εγκέφαλος έχει την υφή πηχτού τζελ – αν τον πιέσουμε πολύ δυνατά χωρίζεται σε εύθραυστα μπλοκ. Η τοποθέτηση ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο, προϋποθέτει μια τέτοια, πιεστική επέμβαση. «Είναι σαν να ωθείς ενα (μικροσκοπικό) μαχαίρι στον ιστό», λέει ο  Magnus Berggren, καθηγητής οργανικών ηλεκτρονικών στο Πανεπιστήμιο Linköping της Σουηδίας.

Ακόμη χειρότερα, ενώ τα ηλεκτρόδια παραμένουν σχετικά σταθερά στη θέση τους, ο εγκέφαλος κινείται και μετακινείται γύρω τους, προκαλώντας ακόμη περισσότερους τραυματισμούς. Το σώμα ανταποκρίνεται σχηματίζοντας ουλώδη ιστό, ο οποίος σταδιακά απομακρύνει το ηλεκτρόδιο από τους νευρώνες που υποτίθεται ότι καταγράφει ή διεγείρει. Εξαιτίας αυτων των ουλών, οι συστοιχίες της Γιούτα – οι μικροσκοπικές συσκευές που μοιάζουν με βούρτσα μαλλιών που εμφυτεύονται στον εγκέφαλο των ασθενων – αφαιρούνται συνήθως μετά από περίπου πέντε χρόνια και όσοι είχαν ανακτήσει την ικανότητα να μιλάνε ή να κινούνται, σιωπούν ή παύουν να κινούνται ξανά. 

Οι επιστήμονες έχουν αναγνωρίσει την βλάβη που μπορούν να προκαλέσουν τα ηλεκτρόδια από τη δεκαετία του 1950. Γενιές μηχανικών έχουν αγωνιστεί για να λύσουν το πρόβλημα, κατασκευάζοντας όλο και μικρότερες και όλο και πιο εύκαμπτες συσκευές, αλλά και αυτές έχουν τα δικά τους μειονεκτήματα. Δεν υπάρχει κανένας αβλαβης τρόπος για να τοποθετηθεί ένα εύκαμπτο ηλεκτρόδιο βαθιά στον εγκέφαλο και ακόμη και όταν αναπαυθούν στην επιφάνεια του εγκεφάλο

Όμως, ο Berggren και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι μπορεί να έχουν βρει μια λύση. Αντί να προσπαθούν να εμφυτεύσουν ενα ηλεκτρόδιο στον εγκέφαλο, έχουν σχεδιάσει ένα τζελ που όταν εγχυεται σε ιστό του σώματος, στερεοποιείται σε ένα ηλεκτρικά αγώγιμο πολυμερές. Η διαδικασία μοιάζει με την έγχυση λιωμένου μετάλλου σε ένα καλούπι, εκτός από το ότι το τζελ που εγχέεται είναι, σύμφωνα με τους επιστημονες, ακίνδυνο – το ηλεκτρόδιο, μόλις σχηματιστεί, είναι εξίσου μαλακό και ευκίνητο με τον εγκεφαλικό ιστό γύρω του.

Η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της εργασιας της τον Φεβρουάριο στο περιοδικό Science. Μέχρι στιγμής, έχουν δοκιμάσει το υλικό σε ζωντανά ψάρια – ζέβρα και νεκρές βδέλλες. Και στις δύο περιπτώσεις, σχημάτισε ηλεκτρόδια που θα μπορούσαν να μεταφέρουν ρεύμα, με επιτυχία. Μέχρι στιγμής, τα ηλεκτρόδια φαίνονται ασφαλή: Τα ψάρια – ζέβρα κολύμπησαν χαρούμενα αφού διοχετεύτηκε η ουσία στο κεφάλι τους και όταν οι επιστήμονες τα θανάτωσαν και εξέτασαν τον εγκέφαλο τους, δεν εντόπισαν καμμία ουλή. Ακόμη και οι νευρώνες που κατέληξαν πλήρως ενσωματωμένοι στα ηλεκτρόδια φαίνονταν υγιείς.

Οι άνθρωποι, ωστόσο, είναι πολύ διαφορετικοί και ο Berggren γνωρίζει εκ πείρας ότι αυτό που λειτουργεί σε έναν οργανισμό δεν λειτουργεί απαραίτητα σε έναν άλλο. Για αυτό τον λόγο, το έργο ξεκίνησε με την χρήση ενος μορίου που η ομάδα είχε ήδη σχεδιάσει, προκειμένου να σχηματίσει ένα αγώγιμο πολυμερές στα φυτά. Όμως, όταν προσπάθησε να χρησιμοποιήσει το μόριο σε ζώα, δεν συνέβη τίποτα. «Η πρώτη χρονιά αυτού του έργου ήταν μια πλήρης αποτυχία», λέει ο Berggren.

Τελικά, ο Xenofon Strakosas, επίκουρος καθηγητής που εργάζεται στο εργαστήριο του Berggren, ανακάλυψε το πρόβλημα: Στα φυτά, το υπεροξείδιο του υδρογόνου (οξυζενέ) βοηθά το υλικό που εγχύεται να στερεοποιηθεί, όμως στα ζώα δεν υπάρχει αρκετό υπεροξείδιο για να λειτουργήσει η αντίδραση. Έτσι, ο Strakosas πρόσθεσε μερικά επιπλεον στοιχεία στο μείγμα: ένα ένζυμο που χρησιμοποιεί γλυκόζη ή γαλακτικό οξυ – που είναι κοινά στους ζωικούς ιστούς – για να παράγει υπεροξείδιο του υδρογόνου και ένα άλλο ένζυμο που διασπά το υπεροξείδιο. Ξαφνικά, τα ηλεκτρόδια σχηματίστηκαν τέλεια.

Για ειδικούς όπως η Maria Asplund, καθηγήτρια βιοηλεκτρονικής μικροτεχνολογίας στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers της Σουηδίας, η ιδέα του σχηματισμου ηλεκτροδίων μέσα στο σώμα είναι εντελώς νέα. «Οι χημικοί μπορούν να κάνουν πράγματα που δεν θα φανταζόμουν ποτέ», λέει η ίδια. Όμως, η Asplund, η οποία έχει περάσει πάνω από μια δεκαετία δουλεύοντας για να δημιουργήσει πιο φιλικά προς τον εγκέφαλο ηλεκτρόδια, δεν σχεδιάζει να εγκαταλείψει τις δοκιμασμένες μεθόδους της για τη δημιουργία ηλεκτροδίων, ακόμα. 

Πρώτον, αυτό το νέο εργαλείο δεν έχει δοκιμαστεί σε θηλαστικά – και κανείς δεν ξέρει πόσο καιρό θα διαρκέσει μέσα στο σώμα. Το πιο σημαντικό, αν και τα ηλεκτρόδια μπορεί να είναι σε θέση να μεταφέρουν με επιτυχία ηλεκτρικά σήματα, ο Berggren και οι συνεργάτες του δεν έχουν ακόμη λύση για να βγάλουν αυτά τα σήματα από τον εγκέφαλο, ώστε οι επιστήμονες να τα δουν πραγματικά ή να στείλουν ρεύμα ώστε τα ηλεκτρόδια να μπορούν  να χρησιμοποιηθούν για τη διέγερση του εγκεφάλου.

Έχουν μια σειρά από επιλογές. Το ένα θα ήταν να κολλήσουν ένα μονωμένο καλώδιο απευθείας στο ηλεκτρόδιο για να μεταφέρει τα σήματα του από βαθιά μέσα στον εγκέφαλο στην επιφάνεια του κρανίου, όπου οι επιστήμονες θα μπορούσαν να τα μετρήσουν. Αυτό το καλωδιο, ωστόσο, θα μπορούσε να προκαλέσει βλάβη στον εγκεφαλικό ιστό, κάτι που προσπαθεί να αποφύγει η ομάδα. Αντίθετα, μπορεί να προσπαθήσουν να σχεδιάσουν άλλα εξαρτήματα που, όπως το ηλεκτρόδιο, θα μπορούσαν να αυτοσυναρμολογηθούν μέσα στον εγκέφαλο, έτσι ώστε ένα σήμα να μπορεί να διαβαστεί ασύρματα, έξω από το κρανίο. 

Εάν ο Berggren και οι συνεργάτες του καταλάβουν πώς θα μπορούσαν να επικοινωνούν με τα ηλεκτρόδια τους, θα έχουν να ανταγωνιστούν συσκευές τελευταίας τεχνολογίας όπως τα Neuropixels, που μπορούν να καταγράψουν από εκατοντάδες νευρώνες ταυτόχρονα. Η επίτευξη αυτού του βαθμού ακρίβειας με ένα μαλακό ηλεκτρόδιο θα μπορούσε να αποδειχθεί δύσκολη, λέει ο Jacob Robinson, αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Rice του Τέξας. «Υπάρχει συνήθως ένα αντιστάθμισμα μεταξύ απόδοσης και παρεπεμβατικότητας», λέει. «Η πρόκληση της μηχανικής είναι να το μειώσει», προσθέτει.

Για αρχή, η διέγερση του εγκεφάλου μπορεί να είναι μια καλύτερη εφαρμογή για τα μαλακά ηλεκτρόδια, καθώς δεν χρειάζεται να είναι τόσο ακριβής. «Και ακόμη και οι μη ακριβείς καταγραφές θα μπορούσαν να ωφελήσουν ανθρώπους που είναι πλήρως παράλυτοι», λέει ο Aaron Batista, καθηγητής βιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, που ερευνά τις διεπαφές εγκεφάλου – υπολογιστή σε πιθήκους. Τα μαλακά ηλεκτρόδια μπορεί να μην είναι σε θέση να παράγουν άπταιστη ομιλία μετρώντας απευθείας τα σήματα του εγκεφάλου κάποιου – αλλά για ασθενείς που δεν μπορούν να κινηθούν καθόλου, το να μπορούν απλώς να σηματοδοτήσουν το «ναι» ή το «όχι», θα έκανε τεράστια διαφορά.

Ωστόσο, τα πολυμερή ηλεκτρόδια δεν είναι απλώς μια ασφαλέστερη και πιο περίπλοκη  εκδοχή των παραδοσιακών ηλεκτροδίων. Επειδή σχηματίζονται μόνο παρουσία συγκεκριμένων ουσιών, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη στόχευση τμημάτων του εγκεφάλου με συγκεκριμένα χημικά προφίλ. Οι Berggren και Strakosas σχεδιάζουν να τελειοποιήσουν τη συνταγή τους έτσι ώστε το τζελ να στερεοποιείται μόνο σε περιοχές του εγκεφάλου, όπου υπάρχει πολύ διαθέσιμο γαλακτικό οξύ – δηλαδή, περιοχές που είναι εξαιρετικά ενεργές. Χρησιμοποιώντας αυτή τη στρατηγική, θα μπορούσαν να στοχεύσουν συγκεκριμένα την περιοχή του εγκεφάλου από την οποία προέρχονται, για παράδειγμα, οι επιληπτικές κρίσεις κάποιου ασθενούς. Σύντομα θα δοκιμάσουν αυτή την προσέγγιση σε επιληπτικά ποντίκια. Κατ' αρχήν, θα μπορούσαν επίσης να δημιουργήσουν ένα υλικό που δεν χρησιμοποιεί γλυκόζη ή γαλακτικό οξύ αλλά κάποια άλλη ουσία για να βοηθήσει το ηλεκτρόδιο να σχηματιστεί – έναν συγκεκριμένο νευροδιαβιβαστή, για παράδειγμα. Με αυτόν τον τρόπο, τα ηλεκτρόδια θα κατέληγαν μόνο σε μέρη του εγκεφάλου με υψηλή περιεκτικότητα σε αυτόν τον συγκεκριμένο νευροδιαβιβαστή – κάτι που θα επέτρεπε στους νευροεπιστήμονες να στοχεύσουν με ακρίβεια συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου.

Εάν ο Berggren και η ομάδα του καταφέρουν να ξεπεράσουν τα επιστημονικά εμπόδια που βρίσκονται μπροστά τους, το τελικό τους καθήκον θα είναι να πλοηγηθούν στο σύνολο των κανονισμών που διέπουν τις συσκευές που χρησιμοποιούνται σε ιατρικά περιβάλλοντα. Είναι αδύνατο να προβλεφθεί πόσος χρόνος μπορεί να χρειαστεί, ειδικά για ενα τόσο νέο υλικό. Ωστόσο, ο Batista πιστεύει ότι αυτή η ανακάλυψη προαναγγέλλει μια νέα εποχή στην τεχνολογία των ηλεκτροδίων, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά μπορεί να είναι αυτή τη στιγμή.

«Δεν μπορώ να είμαι σίγουρος ότι κάποιος που ζει σήμερα θα μπορούσε να λάβει ένα ευέλικτο ηλεκτρονικό νευρικό εμφύτευμα», λέει. «Αλλά φαίνεται πιθανό τώρα, ότι κάποια μέρα αυτό θα είναι εφικτό», καταλήγει. 

Πηγή: Wired