Egy tanulmányban olyan agyba ültethető elektródáról számoltak be, amely felülemelkedik a régebbi technológiák legfontosabb korlátain.
Az idegtudomány legfőbb célja, hogy megértse, hogyan hozza létre az agyműködés a kognitív folyamatokat és a viselkedést. E cél elérése érdekében a kutatók változatos technikákat használnak az agyműködés különböző aspektusainak mérésére.
Az agyműködés lényege mai ismereteink szerint, hogy az idegsejtek elektromos jeleket hoznak létre és adnak tovább egymásnak. Így képes az idegrendszer mozgósítani a szervezet megfelelő részeit, amikor valamiféle jelet kap a környezetből. Például a retinára vetülő fény elektromos jeleket hoz létre a retina neuronjaiban, amely az agy hálózatain keresztül végső soron olyan idegsejtekig is eljut, melyek összehúzódásra késztetik a pupillaszűkítő izmot.
Az idegsejtek által generált elektromos jel tehát az agy működésének alapja, tehát ezt igyekeznek megfigyelni a kutatók. Erre manapság már viszonylag sok lehetőséget ismerünk. Például ismert, hogy amikor egy idegsejt elektromos jelet generál, akkor elkezd kifejezni egy c-Fos nevű fehérjét is. Így tehát vannak módszerek, amik a c-Fos vizualizálásával tárják fel, hogy melyik idegsejtek aktiválódtak. A módszer limitációja, hogy szövetmintákon kivitelezhető, így tehát a kísérleti állat halálát megelőző időszakban zajló idegi aktivitásról lehet következtetéseket levonni.
Ettől egy fokkal jobb idői felbontása van a modern képalkotó eljárásoknak, mint a funkcionális mágneses rezonanciás képalkotás (fMRI). Ez a módszer arra alapul, hogy az oxigént kötő és nem kötő hemoglobin molekulákból kiváltott elektromágneses sugárzás alapján meghatározhatók az arányuk változásai. Ezek a változások az idegi aktivitáshoz köthetők, mivel az aktív idegsejteknek több oxigénre van szüksége. Az fMRI képes közel valós időben követni az agyműködés megváltozásait, azonban idegsejtek millióinak működésére lehet következtetni az adatokból.
Az idegsejtek aktivitásának monitorozására a mai napig az elektrofiziológiai módszerek a legpontosabbak. Az idegsejtek által létrehozott jel lényegében töltött részecskék mozgásán alapul, ami elektromos potenciálváltozásokat eredményez az idegsejten belüli és kívüli pontokon is. Ezekre a pontokra elektródákat helyezve a potenciálváltozások mérhetők, és így következtetni lehet a neuronok tevékenységére. Ennek a megközelítésnek is vannak viszont hátulütői. Az egyik, hogy az elektródák valamilyen szinten roncsolják az agyszövetet. Ez részben a behelyezés következménye, részben pedig az elektródák nagyobb szilárdságából adódik. Az agyszövetbe helyezett elektródák a mozgás során további sérüléseket okozhatnak az agyszövetben. Ezért is indul meg a hegesedés, az idegszövet elkezdi gliasejtekkel körbevenni az idegen testet. Ez viszont azt eredményezi, hogy az elektróda nem lesz képes ugyanolyan minőségű jeleket rögzíteni, mint a beültetés utáni időszakban. Az adatok minősége már néhány hét alatt jelentősen leromlik.
Ezek a problémák nem csak a kutatókat állítják kihívások elé, hanem az elektrofiziológiai módszerek klinikai használatát is akadályozzák. Számos olyan eset van, amikor fontos lenne, hogy az agyból tartósan lehessen elvezetni az idegsejtek által generált elektromos jeleket. Így lehetne például művégtagokat mozgatni, vagy éppen mesterséges beszédprodukciót vezérelni. Így tehát sok szempontból fontos lehet egy olyan megoldás, amivel kiküszöbölhető a szervezet természetes reakciója a beültetett elektródára. Már folyamatban vannak olyan fejlesztések, amik az elektródák szilárdságának lecsökkentését célozzák, ám ezeket az elektródákat is műtéti úton kell bejuttatni az agyba. Egy amerikai kutatócsoport ezúttal olyan elektródákat tesztelt, melyek az agyi erek belső oldaláról rögzítik a környező sejtek által létrehozott jelet, ráadásul a koponya felnyitása sem szükséges a bejuttatásukhoz.
Elektródák az erekben
Az agy működésének monitorozása minden esetben rizikós, amennyiben fel kell hozzá nyitni a vér-agy gátat. A vér-agy gát az agyi kapillárisokat burkolja és megakadályozza, hogy az idegszövetbe kórokozók kerüljenek be. Az agyi kapillárisok ugyanakkor lekövetik az idegsejtek hálózatainak felépítését és az idegsejtek túlnyomó többsége 10-20 mikrométeres távolságban van a kapillárisoktól. Mindezek mellett az érhálózat folytonos rendszer, vagyis elvileg bármelyik érből el lehet jutni bármelyik másikba. Az érhálózat ezen tulajdonságai miatt nagyon ígéretesnek tűnt a kutatók számára.
Korábban már sikerült is elektródákat ültetni az agykéregben lévő keskeny (1,7 mm átmérőjű) vénákba embereknél és több mint fél éven keresztül rögzíteni a környező idegsejtek aktivitását. A Stanford Egyetem kutatói azonban olyan elektródát fejlesztettek, amely jóval kisebb és hajlékonyabb, mint a korábban tesztelt darabok. Az elektróda vázát egy műanyagból készült hálózat adja, aminek a belsejében vékony fémelektródák vannak. Az elektróda bejuttatása után egy vékony szálon keresztül küldi a jeleket a külső felvevő egység felé.
A kutatók az elektródát patkányok agyi artériáiba próbálták eljuttatni. A nyakon ejtett bemetszésen keresztül katéter segítségével juttatták az eszközt a belső fejverőérbe. Az embernél ez az artéria 4-5 mm átmérőjű, a patkánynál azonban csak néhány száz mikrométer. A kutatók ráadásul sikeresen eljuttatták az elektródát az artéria 100 mikrométernél keskenyebb ágaiba is; egész pontosan az elülső és a középső agyi artériát sikerült elérniük, melyeken keresztül a szaglóhagyma és az agykéreg aktivitását tudták követni.
Az elektródák nem befolyásolták az agyi véráramlást, se az állatok viselkedését. Ezen felül nem sértették a vér-agy gátat és nem váltottak ki immunválaszt sem. Tehát sok szempontból olyanok voltak, mintha ott sem lennének, ami a lehető legjobb opció. A kutatók azt is megvizsgálták, hogy szövettani szinten okoznak e bármilyen elváltozást az elektródák. Ezeket a vizsgálatokat a beültetéstől számított négy hét elteltével végezték. Az eredmények szerint nem találtak számottevő elváltozásokat a patkányok agyában.
Technológiai áttörés?
Ezek az eredmények nagyon fontosak, hiszen olyan méréseket tehetnek lehetővé, amikre eddig még nem volt példa az idegtudományban. A legfontosabb szempont, hogy nem váltanak ki olyan fiziológiai reakciókat a szervezetben, amelyek torzítanák a felvételt. A másik áttörés, hogy az elektróda hosszú távon működhet, ezzel olyan jelenségeket is megfigyelhetnek majd a kutatók, amikre eddig egyszerűen nem volt eszköz.
Azon túl, hogy az agykutatás számára izgalmas új adatokkal szolgálhatnak ezek az elektródák, az általuk kiváltott lelkesedés főleg annak köszönhető, hogy az agyműködés zavarait célzó kezelési módszereket is forradalmasíthatják. Számos betegség esetében használnak például mély agyi stimulációt már napjainkban is. A Parkinson-kór, a rögeszmés-kényszeres zavar és a súlyos depresszió esetében is hatékonynak bizonyult ez a megközelítés. Fontos limitáció azonban, hogy az elektródák egy idő után használhatatlanná válnak, a korábban említett immunfolyamatok következtében. Ezt a problémát azonban elegánsan megkerülik az erekbe ültetett elektródák. Egyelőre azonban még bőven vannak akadályok a módszer előtt. Például az elektróda bejuttatása során a katéter is korlátozza, hogy az érpálya mely részei elérhetők. Ezen felül az is kérdéses, hogy mennyire lenne specifikus egy ingerlőelektróda hatása az éren belülről. Mindenesetre a módszer nagyon ígéretes és egyelőre indokoltnak tűnik a lelkesedés, amit előidézett a szakértőknél.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.
