Het zijn kleine, draadloze sensoren zonder batterij die niet groter zijn dan een stuk zand. Maar in de toekomst kunnen deze "neurale stof" -sensoren worden gebruikt om protheses aan te drijven, de gezondheid van organen te controleren en de progressie van tumoren te volgen.
Een team van ingenieurs en neurowetenschappers aan de Universiteit van Californië, Berkeley, werkt al een half jaar aan de technologie. Ze zijn er nu in geslaagd om de sensoren in ratten te implanteren, waar ze zenuw- en spierimpulsen volgen via echografie. Hun onderzoek verschijnt in het tijdschrift Neuron .
"Er zijn veel spannende dingen waar dit de deur voor opent", zegt Michel Maharbiz, een professor in engineering en een van de twee hoofdauteurs van de studie.
De neurale stofsensoren ontwikkeld door Maharbiz en zijn co-auteur, neurowetenschapper Jose Carmena, bestaan uit een piëzo-elektrisch kristal (dat een spanning produceert in reactie op fysieke druk) verbonden met een eenvoudig elektronisch circuit, allemaal gemonteerd op een klein polymeerbord. Een verandering in de zenuw of spiervezel rondom de sensor verandert de trillingen van het kristal. Deze schommelingen, die kunnen worden opgevangen door echografie, geven onderzoekers een idee van wat er diep in het lichaam aan de hand is.
Neuraal stofdiagram (UC Berkeley) Het bouwen van interfaces om het zenuwstelsel op te nemen of te stimuleren dat ook tientallen jaren in het lichaam zal blijven, is een langdurige puzzel geweest, zegt Maharbiz. Veel implantaten worden na een jaar of twee afgebroken. Sommige vereisen draden die uit de huid steken. Anderen werken gewoon niet efficiënt. Historisch gezien hebben wetenschappers radiofrequentie gebruikt om te communiceren met medische implantaten. Dit is prima voor grotere implantaten, zegt Maharbiz. Maar voor kleine implantaten zoals het neurale stof zijn radiogolven te groot om efficiënt te werken. Dus het team probeerde in plaats daarvan echografie, die veel beter bleek te werken.
In de toekomst experimenteert het team met het bouwen van neurale stofsensoren uit verschillende materialen die veilig zijn voor gebruik in het menselijk lichaam. Ze proberen ook de sensoren veel kleiner te maken, klein genoeg om daadwerkelijk in de zenuwen te passen. Tot nu toe zijn de sensoren gebruikt in het perifere zenuwstelsel en in spieren, maar als ze zijn gekrompen, kunnen ze mogelijk rechtstreeks in het centrale zenuwstelsel of de hersenen worden geïmplanteerd.
Neuraal stof geïmplanteerd in een rat (UC Berkeley) Kleine chirurgie was nodig om de sensoren in de ratten te krijgen. Het team werkt momenteel met microchirurgen om te kijken welke soorten laparoscopische of endoscopische technologieën het beste zijn voor het implanteren van de apparaten op een minimaal invasieve manier.
Het kan jaren duren voordat de technologie klaar is voor menselijke testen, zegt Maharbiz. Maar onderweg kan het neurale stof worden gebruikt om protheses te voeden via zenuwimpulsen. Een verlamde persoon zou in theorie een computer kunnen besturen of een geamputeerde zou een robothand kunnen aandrijven met behulp van de sensoren. Het neurale stof kan ook worden gebruikt om gezondheidsgegevens bij te houden, zoals zuurstofniveaus, pH of de aanwezigheid van bepaalde chemische verbindingen, of om de orgaanfunctie te controleren. Bij kankerpatiënten kunnen sensoren die in de buurt van tumoren zijn geïmplanteerd, hun groei continu volgen.
"Het is een nieuwe grens", zegt Maharbiz. "Er is gewoon een verbazingwekkende hoeveelheid die je kunt doen."
