Kajian Tikus: Penyelidik Merangka Bentuk Rangsangan Otak Dalam yang Tidak Invasif

Penyelidik di Massachusetts Institute of Technology (MIT), bekerjasama dengan Pusat Perubatan Beth Israel Deaconess (BIDMC) dan Yayasan IT'IS di Switzerland, telah merancang bentuk rangsangan otak dalam yang tidak invasif.

Pendekatan baru ini dapat menjadikan rangsangan otak dalam menjadi kurang berisiko, lebih murah, dan lebih mudah diakses oleh pesakit dengan penyakit Parkinson dan gangguan lain. Daripada memerlukan pembedahan untuk menanam elektrod di dalam otak, kaedah baru ini berfungsi dengan menggunakan elektrod ke kulit kepala.

Sejauh ini, pendekatan baru telah dikaji pada tikus hidup di mana ia terbukti dapat merangsang struktur otak dalam secara selektif tanpa mempengaruhi aktiviti sel di kawasan yang melampaui batas. Penemuan ini diterbitkan dalam jurnal Sel.

"Rangsangan otak mendalam tradisional memerlukan pembukaan tengkorak dan memasang elektrod, yang boleh mengalami komplikasi. Kedua, hanya sebilangan kecil orang yang dapat melakukan bedah saraf seperti ini, ”kata pengarang kanan Ed Boyden, seorang profesor kejuruteraan biologi dan sains otak dan kognitif di MIT.

Rangsangan otak dalam tradisional telah berjaya digunakan pada banyak pesakit dengan penyakit Parkinson. Ini juga digunakan untuk merawat beberapa pasien dengan gangguan kompulsif obsesif, epilepsi, dan depresi, dan saat ini sedang dieksplorasi sebagai perawatan untuk autisme. Pendekatan baru yang tidak invasif dapat menjadikannya lebih mudah untuk menyesuaikan rangsangan otak yang mendalam untuk merawat gangguan tambahan, kata para penyelidik.

"Dengan kemampuan untuk merangsang struktur otak secara tidak invasif, kami berharap dapat membantu mencari sasaran baru untuk mengubati gangguan otak," kata penulis utama makalah itu, Nir Grossman, bekas postdoc Wellcome Trust-MIT yang bekerja di MIT dan BIDMC, yang kini menjadi penyelidik di Imperial College London.

Semasa merawat penyakit Parkinson, elektrod biasanya diletakkan di nukleus subthalamic, struktur berbentuk lensa yang terletak di bawah thalamus, jauh di dalam otak. Dorongan elektrik yang dihantar ke kawasan otak ini terbukti dapat memperbaiki banyak gejala penyakit ini, tetapi pembedahan yang diperlukan untuk menanamkan elektrod membawa risiko, termasuk pendarahan otak dan jangkitan.

Penyelidik lain telah berusaha untuk merangsang otak secara tidak invasif menggunakan teknik seperti stimulasi magnetik transkranial (TMS), yang disetujui oleh FDA untuk merawat kemurungan. Oleh kerana TMS tidak invasif, ia juga telah digunakan dalam subjek manusia normal untuk mempelajari sains asas kognisi, emosi, sensasi, dan pergerakan.

Namun, menggunakan TMS untuk merangsang struktur otak dalam juga dapat menyebabkan kawasan permukaan dirangsang dengan kuat, sehingga menghasilkan modulasi beberapa jaringan otak.

Para penyelidik MIT mencari cara untuk menyampaikan rangsangan elektrik jauh di dalam otak, melalui elektrod yang diletakkan di kulit kepala, dengan memanfaatkan fenomena yang dikenali sebagai gangguan temporal.

Strategi ini memerlukan penghasilan dua arus elektrik frekuensi tinggi menggunakan elektrod yang diletakkan di luar otak. Medan ini terlalu pantas untuk menggerakkan neuron. Walau bagaimanapun, arus ini mengganggu satu sama lain sedemikian rupa sehingga di mana mereka bersilang, jauh di dalam otak, kawasan kecil arus frekuensi rendah dihasilkan di dalam neuron. Arus frekuensi rendah ini dapat digunakan untuk mendorong aktiviti elektrik neuron, sementara arus frekuensi tinggi melewati tisu sekitarnya tanpa kesan.

Dengan menyesuaikan frekuensi arus ini dan mengubah bilangan dan lokasi elektrod, para penyelidik dapat mengawal ukuran dan lokasi tisu otak yang menerima rangsangan frekuensi rendah. Mereka dapat menargetkan lokasi jauh di dalam otak tanpa mempengaruhi struktur otak di sekitarnya. Mereka juga dapat mengarahkan lokasi rangsangan, tanpa menggerakkan elektrod, dengan mengubah arus. Dengan cara ini, sasaran mendalam dapat dirangsang, baik untuk penggunaan terapi dan penyelidikan sains asas.

"Anda boleh mencari sasaran yang mendalam dan melepaskan neuron yang terlalu banyak, walaupun resolusi spasial belum sebaik rangsangan otak yang mendalam," kata Boyden, yang merupakan anggota Makmal Media MIT dan Institut Penyelidikan Otak McGovern.

Li-Huei Tsai, pengarah Institut Pembelajaran dan Memori Picower MIT, dan penyelidik di makmalnya menguji teknik ini pada tikus dan mendapati bahawa mereka dapat merangsang kawasan kecil jauh di dalam otak, termasuk hippocampus. Mereka juga dapat mengubah lokasi rangsangan, memungkinkan mereka mengaktifkan berbagai bahagian korteks motor dan mendorong tikus menggerakkan anggota badan, telinga, atau misai mereka.

"Kami menunjukkan bahawa kami dapat dengan tepat menargetkan wilayah otak untuk memperoleh bukan hanya aktivasi neuron tetapi juga tindak balas tingkah laku," kata Tsai. "Saya rasa ini sangat menggembirakan kerana penyakit Parkinson dan gangguan pergerakan lain sepertinya berasal dari kawasan otak yang sangat khusus, dan jika anda dapat menyasarkannya, anda berpotensi untuk membalikkannya."

Secara ketara, pendekatan baru tidak mengaktifkan neuron di korteks, kawasan yang terletak di antara elektrod pada tengkorak dan sasaran jauh di dalam otak. Para penyelidik juga tidak menemui kesan berbahaya di mana-mana bahagian otak.

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts