Istraživači su napravili tanak film koji kombinuje mrežu elektroda i LED diode koje mogu da prate i proizvedu vizuelni prikaz aktivnosti mozga u realnom vremenu tokom operacije – ogromno poboljšanje u odnosu na trenutno stanje tehnike. Uređaj je dizajniran da neurohirurzima pruži vizuelne informacije o mozgu pacijenta za praćenje stanja mozga tokom hirurških intervencija za uklanjanje lezija na mozgu uključujući tumore i epileptičko tkivo.
Svaka LED dioda u uređaju odražava aktivnost nekoliko hiljada neurona. U nizu eksperimenata sa dokazom koncepta na glodarima i velikim sisarima koji nisu primati, istraživači su pokazali da uređaj može efikasno da prati i prikazuje neuronsku aktivnost u mozgu koja odgovara različitim delovima tela. U ovom slučaju, LED diode koje je razvio tim svetle crveno u oblastima koje hirurg treba da ukloni. Okolne oblasti koje kontrolišu kritične funkcije i koje treba izbegavati prikazane su zelenom bojom.
Studija je takođe pokazala da uređaj može vizualizovati početak i mapirati širenje epileptičnog napada na površini mozga. Ovo bi omogućilo lekarima da izoluju „čvorove“ mozga koji su uključeni u epilepsiju. Takođe bi omogućilo lekarima da pruže neophodan tretman uklanjanjem tkiva ili korišćenjem električnih impulsa za stimulaciju mozga.
„Neurohirurzi bi mogli da vide i zaustave napad pre nego što se proširi, da vide koja su područja mozga uključena u različite kognitivne procese i da vizuelizuju funkcionalni obim širenja tumora. Ovaj rad će pružiti moćno sredstvo za težak zadatak uklanjanja tumora iz osetljiva područja mozga“, rekao je Danijel Kliri, jedan od koautora studije, neurohirurg i docent na Univerzitetu zdravlja i nauke u Oregonu. Kliri je bio medicinski specijalizant i postdoktorski istraživač na Univerzitetu Kalifornije u San Dijegu.
Uređaj je osmislio i razvio tim inženjera i lekara sa Univerziteta Kalifornije u San Dijegu i Opšte bolnice Masačusetsa (MGH), a predvodio ga je Shadi Daieh, dopisni autor rada i profesor na Odseku za elektrotehniku i računarstvo na UC. San Diego. Tim opisuje svoj rad u izdanju časopisa Science Translational Medicine od 24. aprila.
Tokom operacije na mozgu, lekari treba da mapiraju funkciju mozga kako bi definisali koje oblasti organa kontrolišu kritične funkcije i koje se ne mogu ukloniti. Trenutno neurohirurzi rade sa timom elektrofiziologa tokom procedure. Ali taj tim i njihova oprema za praćenje nalaze se u drugom delu operacione sale.
Područja mozga koja treba zaštititi i ona koja treba operisati elektrofiziolozi ili obeležavaju na papiru koji se donosi hirurgu ili se usmeno saopštavaju hirurgu, koji zatim postavlja sterilne papire na površinu mozga da bi obeležio ove regione.
„Oboje su neefikasni načini prenošenja kritičnih informacija tokom procedure i mogu uticati na njene ishode“, rekla je dr Anželik Polk iz MGH, koja je koautor i ko-izumitelj tehnologije.
Pored toga, elektrode koje se trenutno koriste za praćenje moždane aktivnosti tokom operacije ne daju detaljne fino zrnaste podatke. Dakle, hirurzi moraju da zadrže tampon zonu, poznatu kao resekciona margina, od 5 do 7 milimetara (oko ¼ inča) oko oblasti koju uklanjaju unutar mozga. To znači da bi mogli da ostave nešto štetnog tkiva unutra. Novi uređaj pruža nivo detalja koji bi ovu tampon zonu smanjio na manje od milimetra.
„Izmislili smo mikrodisplej mozga da bi se precizno prikazale kritične kortikalne granice i da bismo vodili neurohirurgiju u isplativom uređaju koji pojednostavljuje i smanjuje vreme procedura mapiranja mozga“, rekao je Dajeh.
Istraživači su instalirali LED diode na još jednu inovaciju iz Daeh laboratorije, platinastu nanorodnu mrežu elektroda (PtNRGrid). Koristeći PtNRGrids od 2019. godine, Dajehov tim je pionir u mapiranju ljudskog mozga i kičmene moždine sa hiljadama kanala za praćenje neuronske aktivnosti mozga.
Oni su izvestili o ranim rezultatima bezbednosti i efikasnosti u seriji članaka u Science Translational Medicine 2022. godine na desetinama ljudskih subjekata. („Nove senzorske mreže snimaju signale ljudskog mozga sa rekordnom rezolucijom“ i „Niz mikroelektroda može omogućiti sigurniju operaciju kičmene moždine“)—ispred Neuralink-a i drugih kompanija u ovom prostoru.
PtNRGrid takođe uključuje perforacije, koje omogućavaju lekarima da ubace sonde za stimulaciju mozga električnim signalima, kako za mapiranje tako i za terapiju.
Kako je napravljeno
Daeh i njegov tim iskoristili su svoju stručnost u radu sa galijum nitridom da razviju proizvodnu tehniku za visokoefikasne LED diode koje se ne zagrevaju kada zasvetle i ne oštećuju moždana tkiva. Sam materijal se uzgaja na ravnoj i krutoj podlozi koja se zove Kromis supstratna tehnologija.
Daehov tim na UC San Diego uspeo je da ugradi hiljade LED dioda u fleksibilne filmove i oslobodi ih sa podloge u obliku fleksibilnog displeja. Istraživači su zatim koristili inkjet štampanje za nanošenje mastila kvantnih tačaka na površinu LED dioda da bi svoju plavu svetlost pretvorili u više drugih boja. „Ovo omogućava bogatije i nijansiranije vizuelno predstavljanje obrazaca neuronske aktivnosti“, rekao je Dajeh.
„Ove neorganske mikro-LED diode na bazi galijum nitrida, znatno svjetlije i energetski efikasnije od organskih LED dioda, mogu održati jasnu vidljivost pod hirurškim svjetlima koja mogu premašiti svjetlinu direktne sunčeve svjetlosti. IEEG mikro ekran, debljine samo nekoliko desetina mikrona, snima aktivnost mozga pri 20.000 uzoraka u sekundi na hiljadama kanala i vizualizuje je pri video brzini od 40 Hz.
„Ovo omogućava precizne prikaze kortikalne dinamike u realnom vremenu tokom kritičnih hirurških intervencija“, rekao je Jangbin Čoe, prvi autor i ko-pronalazač, ranije postdoktor grupe Daje na UC San Dijegu, a sada docent na Ulsan National Institute. nauke i tehnologije.
Mikrodispleji imaju dimenzije 5 k 5 kvadratnih milimetara i 32 k 32 kvadratna milimetra i uključuju 1.024 ili 2.048 ovih LED dioda, laminiranih na poleđini PtNRGrid-a. Pored LED dioda, uređaj uključuje elektroniku za akviziciju i kontrolu, kao i softverske drajvere za analizu i projektovanje kortikalne aktivnosti direktno sa površine mozga.
„IEEG-mikrodisplej mozga može impresivno i snimiti aktivnost mozga u veoma finom stepenu i prikazati ovu aktivnost za neurohirurga koju će koristiti tokom operacije. Nadamo se da će ovaj uređaj na kraju dovesti do boljih kliničkih ishoda za pacijente sa njegova sposobnost da otkrije i prenese detaljnu aktivnost osnovnog mozga tokom operacije“, rekao je koautor studije Džimi Jang, neurohirurg i docent na Državnom univerzitetu u Ohaju.
Daehov tim radi na izgradnji mikrodispleja koji će uključivati 100.000 LED dioda, sa rezolucijom koja je ekvivalentna onoj na ekranu pametnog telefona. Svaka LED dioda na tim displejima bi odražavala aktivnost nekoliko stotina neurona. Ovi moždani mikrodispleji koštaće samo delić pametnog telefona vrhunskog kvaliteta.
Ovaj mikrodisplej mozga će takođe uključivati sklopivi deo. Ovo bi omogućilo hirurzima da rade unutar sklopivog dela i nadgledaju uticaj procedure dok drugi, nesavijeni deo mikrodispleja prikazuje status mozga u realnom vremenu.
Istraživači takođe rade na jednom ograničenju studije. Neposredna blizina LED senzora i PtNRGrida dovela je do malih smetnji i šuma u podacima. Tim planira da napravi prilagođeni hardver za promenu frekvencije impulsa koji uključuju LED diode kako bi se olakšao ekranizacija tog signala, koji nije relevantan za električnu aktivnost mozga.
