Geresnis būdas ištirti smegenis

Polina Anikeeva, PhD '09, kuria medžiagas, kurios siūlo mažo poveikio ar net belaidžius ryšius su nervų sistema, leidžiančiais tyrėjams stimuliuoti ir rinkti duomenis iš atskirų smegenų ląstelių.2015 m. balandžio 21 d

Smegenys dažnai apibūdinamos kaip sudėtingiausia žinoma struktūra: daugybė ląstelių, sujungtų į tinklus ir knibždančios elektrinės ir cheminės veiklos. Kaip medžiagų mokslininkė Polina Anikeeva, PhD '09, taip pat žino, kad smegenys yra daug minkštesnės ir lankstesnės nei prietaisai, kuriuos naudojame joms tirti. Jis iš tikrųjų turi šokolado pudingo elastingumo savybes, sako Anikeeva, MIT medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius. Jei norite, galite šaukštu.

Tačiau kai mokslininkai bando ištirti smegenis, jie paprastai pasikliauja kietomis ir aštriomis medžiagomis, tokiomis kaip silicio zondai ir plieniniai elektrodai. Ji sako, kad tai turi tiek pat prasmės, kaip ir pjaustyti pudingą peiliu.



Naudojant žmonėms skirtus nervinius implantus, pavyzdžiui, giliosios smegenų stimuliacijos prietaisus, neatitikimas gali turėti rimtų pasekmių. Kieti elektrodai gali perpjauti audinį, jei smegenys sujuda. Ląstelės iš imuninės sistemos ir netoliese esančių audinių spiečiasi, apsupdamos bet kokį implantą randiniu audiniu. Panašios problemos galioja ir nugaros smegenų nervinėms sąsajoms.

Anikeeva, vadovaujanti MIT Bioelektronikos laboratorijai, kuria geresnius būdus bendrauti su smegenimis ir nugaros smegenimis. Nors jos laboratorijai dar mažiau nei ketveri metai, žinomi žurnalai paskelbė virtinę jos grupės straipsnių, kuriuose demonstruojamos naujos technologijos, įskaitant plonus, lanksčius polimerinio pluošto zondus, skatinančius ir registruojančius neuronų veiklą, taip pat magnetines nanodaleles, kurios galėtų būti panaudotos stimuliuokite juos be jokių laidų. Tikslas – švelnesniu prisilietimu apžiūrėti smegenis – ir tai padaryti tiksliai, į vieną įrenginį integruojant kelias funkcijas.

Anikeeva darbai jau leidžia kitiems mokslininkams atlikti naujų smegenų ir nugaros smegenų tyrimų. Galiausiai jos sukurtos medžiagos galėtų pasiūlyti mažiau invazinį būdą prijungti prietaisus prie žmogaus kūno, siekiant gydyti neurologines ligas ar atkurti judėjimą.

Mokslo vėpla
Iš esmės nuo pat ankstyvų dienų buvau mokslo vėpla, sako Anikeeva. Ji užaugo Sankt Peterburge, Rusijoje, tėvų, kurie abu mokėsi mechanikos inžinieriais, dukra. (Jos motina padėjo projektuoti branduolinius povandeninius laivus prieš Sovietų Sąjungos žlugimą.) Būdama 12 metų ji buvo priimta į prestižinę fizinę-techninę vidurinę mokyklą, kuri yra susijusi su Rusijos mokslų akademijos Ioffe fiziniu-techniniu institutu. Mokykloje mokosi vos 180 mokinių, pamokos vyksta šešias dienas per savaitę; jos tikslas – auklėti būsimus tyrinėtojus. Įstoti į MIT yra sunkiau nei į MIT, sako ji.

Anikeeva studijavo biofiziką Sankt Peterburgo valstybiniame politechnikos universitete; mainų programoje Šveicarijos federaliniame technologijos institute Ciuriche ji išmoko analizuoti baltymų struktūrą, taikydama branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopiją. Baigusi studijas, ji atliko metus trukusią stažuotę Los Alamos nacionalinėje laboratorijoje Naujojoje Meksikoje, kurdama saulės elementus iš puslaidininkinių nanokristalų, žinomų kaip kvantiniai taškai.

Kai ji lankėsi absolventų mokyklose, MIT išsiskyrė savo studentais ir dėstytojais. Jaučiau, kad MIT mane sups tikrai talentingi žmonės, kurie fanatiškai žiūri į savo darbą, sako ji. Ji pradėjo savo doktorantūros studijas 2004 m. Vladimiro Bulovičiaus, tuometinio elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslo docento, laboratorijoje, kuri kūrė naujus elektroninius ir optinius prietaisus naudojant nanotechnologijas. Ten ji sukūrė šviesos diodų kūrimo techniką, naudojant kvantinius taškus, kad generuotų skirtingų spalvų šviesą.

Anikeeva patiko dirbti su nanomedžiagomis, tačiau ji taip pat mėgo biologiją. Savo mobiliuosiuose telefonuose turime tokias sudėtingas technologijas – turime šiuos gražius ekranus, naujausius skaičiavimo modulius, tranzistorius, grandines ir pan., – sako ji. Ji norėjo panaudoti kai kuriuos iš šių pasiekimų, kad patobulintų kūno technologijas. Tačiau prieš tai, kai įžūliai eičiau ir bandyčiau išspręsti problemas, kurių egzistavimo nežinojau, sako ji, nusprendžiau, kad man reikia iš tikrųjų praleisti šiek tiek laiko biologinėje aplinkoje.

Anikeeva tiria pluoštų partiją, kurių kiekvienoje yra vienas elektrodas. Jie bus išdėstyti aplink tuščiavidurius vamzdelius ir ištempti, kad susidarytų 100 mikrometrų pločio nerviniai zondai, galintys tiekti vaistus ir įrašyti informaciją.

Šis sprendimas atvedė ją į Karlo Deisserotho neurologijos laboratoriją Stanfordo universitete. Jo grupė atliko novatorišką optogenetikos darbą, kuris naudoja šviesą, kad stimuliuotų gyvūnų smegenų ląsteles, kurios buvo sukurtos taip, kad jame būtų šviesos aktyvuojami baltymai. Kai pamačiau, kad jie kuria metodus, kaip optiškai valdyti smegenis, buvau labai nustebusi, sako ji. Tai taip pat pasiūlė naują būdą pritaikyti savo įgūdžius. Smegenys reiškia veikimo potencialą ir įtampą – maniau, kad esu optoelektronikos specialistas, galiu atsilikti nuo įtampos, sako ji. Tai kažkas, ką aš turiu galimybę suprasti.

Deisserotho grupei reikėjo aparatūros, kad galėtų siųsti šviesą į konkrečias pelių smegenų sritis, taip pat paimti elektros įrašus iš apšviestų ląstelių. 2009 m. prasidėjusio dvejų metų postdoc Anikeeva sukūrė zondą, kuris buvo sudėtingesnis nei tas, kurį jie naudojo; jos versija apėmė kelis elektrodus išilgai optinio pluošto. Deisserothas sako, kad tai buvo pagrindinis žingsnis siekiant gauti turtingus rodmenis iš šviesolaidinės sąsajos.

Patirtis išmokė Anikejevą atlikti eksperimentus ir dirbti su gyvūnais, ir tai padėjo jai išspręsti problemas. Gavusi šį pagrindinį neurobiologinį mokymą privertė susimąstyti apie mūsų naudojamus įrankius, sako ji. Tos technologijos tikrai gana primityvios. Jie buvo per dideli ir per dideli ir neturėjo pakankamai galimybių. Biologai, su kuriais dirbo Anikeeva, mikroskopu manipuliavo atskirais laidais, toli nuo sudėtingų elektronikos pramonėje naudojamų gamybos metodų.

Jaučiau, kad turėtume padaryti geriau, sako ji. Ir kai jai buvo pasiūlyta dėstytojo vieta MIT, ši prielaida tapo jos pačios laboratorijos pagrindu. Savo dabartiniame darbe Anikeeva pasitelkia savo žinias apie medžiagų mokslą ir neuromokslą. Ji yra neįtikėtinai talentinga, kad ir ką bedėtų, sako Bulovičius, dabar besiformuojančių technologijų profesorius, Inžinerijos mokyklos dekanas naujovėms ir MIT inovacijų iniciatyvos vienas iš direktorių. Ji pasinaudojo visa įgyta patirtimi... ir pripažino, kad gali juos sujungti į vientisą visumą.

Geresnis plaktukas
MIT rūsio laboratorijoje Andresas Canalesas, SM '13, Anikejevos grupės doktorantas, stebi, kaip vyksta fizinė transformacija: polimerų ir metalo cilindras lėtai tirpsta ir ištraukiamas į ilgą, vermišelius primenančią vielą. aukštas bokštas viename kambario kampe. Viena iš priežasčių, dėl kurių Anikeeva norėjo grįžti į MIT, buvo darbas su Yoeliu Finku, Elektronikos tyrimų laboratorijos direktoriumi ir pirmaujančiu šios pluošto piešimo technikos, kai medžiagos surenkamos, šildomos ir traukiamos į itin ploną, novatoriumi. pluoštai, išsaugantys originalią struktūrą ir funkcionalumą. Fink pasidalijo su savo laboratorija savo patirtimi ir pluošto verpimo bokštu, kuris siūlo tikslų valdymą ir galimybę sumažinti funkcijas iki mikroskopinio lygio (žr. Demonstraciją).

Dėl šio bendradarbiavimo jos komanda sujungė optinius bangolaidžius, elektrodus ir vaistų tiekimo kanalus į vieną pluoštą, kuris gali būti plonas kaip žmogaus plaukas ir pakankamai lankstus, kad apvyniotų aplink pirštą. Ir kritiškai tariant, šių prietaisų organizmas neatmeta.

Tokios galimybės galėtų padėti neurologams, bandantiems išsiaiškinti sudėtingas pelių smegenų funkcijas. Guopingas Fengas, MIT McGovern instituto smegenų ir pažinimo mokslų profesorius, naudoja Anikeeva zondus psichikos ligoms, tokioms kaip autizmas ir obsesinis-kompulsinis sutrikimas, tirti. Jo darbas apima ryšį tarp smegenų neuronų ir genų, smegenų grandinių ir elgesio ryšį. Norėdami stebėti šiuos procesus gyvuose gyvūnuose, mokslininkai turi sugebėti tiksliai manipuliuoti konkrečiomis grandinėmis ir įrašyti manipuliuojamų ląstelių veiklą. Pasak jo, naudojant ploną, daugiafunkcį įrenginį, jūs galite turėti visas galimybes su minimaliu smegenų audinių trikdymu ar pažeidimu.

Prietaisai taip pat gali būti naudojami stuburo smegenyse, kurias sunku pasiekti ir kurioms reikalingas lankstus prietaisas, nes jis dažnai juda ir tempiasi. Nors elektrinė nugaros smegenų stimuliacija gali sukelti paralyžiuotų gyvūnų judėjimą ir buvo kliniškai naudojama žmonėms su nedideliais rezultatais, Vašingtono universiteto Sietle reabilitacinės medicinos profesorius Chetas Moritzas teigia, kad optinė stimuliacija leistų tiksliau kontroliuoti specifinės ląstelės. Jis sako, kad elektrinė stimuliacija yra gana didelis plaktukas. Naudodami optogenetiką galite būti gana patikimi, kad aktyvuojate tam tikrą grandinę.

Moritzas stimuliuoja viršutinę nugaros smegenų dalį – galiausiai siekdamas atkurti judesius, tokius kaip siekimas ir griebimas, kuriems reikia daugiau dailumo nei vaikščioti. Norėdami tai padaryti, jis turi tiesiogiai nukreipti konkrečius neuronus. Dirbdamas su Anikeeva, jis išbando galimybę naudoti šviesą žiurkių stuburo smegenims stimuliuoti, kad būtų galima atgaivinti paralyžiuotas galūnes.

Belaidis smegenų stimuliavimas
Tuo tarpu Anikeeva siekia technologijų, kurios gali stimuliuoti konkrečias smegenų sritis be jokių laidų. Neseniai paskelbtame dokumente jos grupė demonstravo techniką, kuri naudoja magnetinius laukus ir įšvirkščiamas nanodaleles, kad aktyvuotų ląsteles giliai pelių smegenyse.

Šiame procese magnetinės nanodalelės kaitinamos naudojant kintamus magnetinius laukus, kurie lengvai pereina per smegenų audinį, jo nepaveikdami. Dešimtmečius mokslininkai kūrė magnetinių nanodalelių įšvirkštimo į navikus ir kaitinimo magnetais metodus, kad sunaikintų vėžines ląsteles. Tačiau užuot sunaikinusi ląsteles, Anikeeva norėjo sukurti greitą šilumos pliūpsnį, kuris priverstų neuronus užsidegti.

Kiti mokslininkai taikė panašų metodą, kad paskatintų ląsteles, sukurtas ekspresuoti į šilumą reaguojantį baltymą TRPV1. Tačiau Anikeeva teigia, kad šiuose tyrimuose ląstelės reagavo per lėtai, kad būtų galima nedelsiant stimuliuoti.

Jos komanda, vadovaujama absolventų Ritchie Chen, SM '13 ir Michaelo Christianseno, pradėjo modeliuoti, kaip magnetinės nanodalelės išsklaido šilumą. Dalelės susilygina su magnetiniu lauku ir persirikiuoja, kai pasikeičia jo kryptis, o proceso metu išskirdamos šilumą. Modeliai parodė, kad šis poveikis buvo stipresnis, jei dalelių dydis ir forma atitiko magnetinio lauko savybes. Pritaikę magnetinių ritinių ir nanodalelių dizainą, mokslininkai sugebėjo greičiau pagaminti daugiau šilumos.

Dalelės yra pagamintos iš geležies oksido (dažniausiai naudojamos kaip kontrastinė medžiaga MRT) ir padengtos polimerais, kad organizmo imuninė sistema jų nepašalintų. Anikeeva komanda panaudojo virusą, kad TRPV1 genas būtų patekęs į ląsteles tam tikroje pelių smegenų dalyje. Tada jie suleido nanodalelėmis tą pačią sritį. Veikiant magnetiniam laukui, dalelės įkaisdavo, todėl modifikuoti neuronai užsidegdavo.

Anikeeva dabar tiria, ar keičiant magnetinius laukus ir dalelių sudėtį galima nukreipti kelis ląstelių tipus arba smegenų grandines. Ir nors šiame tyrime buvo panaudota genų inžinerija, kad šilumai jautrus baltymas patektų į pelių ląsteles, ji teigia, kad TRPV1 yra paplitęs žmogaus smegenyse, todėl norint naudoti šią techniką žmonėms, toks gudravimas gali būti nereikalingas.

Šis demonstravimas, nors ir preliminarus, rodo daug mažiau invazinį būdą stimuliuoti ląsteles giliai smegenyse. Šiuo metu pacientams, kuriems giliai stimuliuojamos smegenys dėl tokių būklių kaip Parkinsono liga, reikia operacijos, kad būtų implantuojami elektrodai, prijungti prie išorinės baterijos. Šios pelės turėjo paprastą injekciją, o magnetinės nanodalelės išliko aktyvios po mėnesio. Ji įsivaizduoja, kad vieną dieną pacientai galėtų gauti magnetinio vaisto ir kiekvieną dieną praleisti nustatytą laiką šalia magnetinio prietaiso.

Anikeeva grupė tobulina šias technologijas ir ieško bendradarbių, kurie jas išbandys. Ji numato naudoti minkštus polimerinius zondus, kad tiksliai atvaizduotų smegenis arba pateiktų vaistą ar optinę stimuliaciją ir tada stebėtų jo poveikį ląstelių veiklai.

Ji taip pat labai domisi technologijomis kaip neuroninėmis sąsajomis gydant paralyžiuojančius sužalojimus. Kai draugė, kopdama uolomis, patyrė rimtą nugaros smegenų traumą, Anikejevą pribloškė primityvi reabilitacijos ir judėjimo atkūrimo technologijų būklė. Ji sako, kad tai labai paveikė mano tyrimų programą.

Pati entuziastinga alpinista ir nuotolių bėgikė Anikeeva ypač domisi judėjimu, nes mano, kad tai būtina jos pačios mąstymui. Laipiojimas yra didelė, lemiama mano gyvenimo dalis, sako ji, ir ji dažnai išsprendžia problemas bėgdama dvi ar tris valandas vienu metu. Niekada nesportuoju su muzika, sako ji. Iš esmės tai aš prieš savo smegenis.

paslėpti