İğne İnceliğinde Beyin İmplantı: Tek Cihazla Üç İşlevi Aynı Anda Gerçekleştiren Devrim Niteliğinde Teknoloji Geliştirildi

Danimarka Teknik Üniversitesi (DTU), Kopenhag Üniversitesi, Londra Üniversite Koleji ve diğer kurumların araştırmacıları, beyni daha hassas biçimde incelemeye ve ileride epilepsi gibi nörolojik hastalıkların tedavisine katkı sağlayabilecek, iğne inceliğinde, mikrokanalörlerle donatılmış yeni nesil bir beyin elektrodu geliştirdi. “Mikrofuidiyal Aksialtrode” (mAxialtrode) olarak adlandırılan ve bilimsel bulguların Advanced Science dergisinde yayımlandığı bu cihaz, tek bir implant üzerinden nöral aktiviteyi kaydedebilir, ilaç teslim edebilir ve elektriksel ya da ışık uyarması uygulayarak üç işlevi aynı anda yerine getirebiliyor.

Cihazın uzunluğu boyunca birden fazla işlevsel nokta taşıması tasarlanması, araştırmacıların farklı bölgelere ayrı ayrı cihaz yerleştirmeden, tek bir ince lif üzerinden hem ölçüm hem tedavi gerçekleştirmesini sağlıyor. Teknolojinin şu aşamada öncelikle araştırma aracı olarak öngörülmesi, uzun vadede ise nörolojik hastalıkların tedavisinde kullanılabilecek terapötik potansiyeli barındırması dikkat çekiyor.

Tek Cihazda Birleşen Üç İşlev

Araştırmacılar, teknolojinin bugün için temel amacının bir araştırma aracı olmak olduğunu vurguluyor. Bilimsel ekip, cihazı epilepsi, hafıza ve karar verme süreçlerinde sinyallerin beynin farklı katmanları boyunca nasıl ilerlediğini incelemek amacıyla kullanabilecek. Uzun vadede ise mAxialtrode’nin ilaçların çok hassas noktalara teslim edilmesiyle birlikte aynı anda seçili bölgelere elektriksel ya da ışık uyarması uygulanması gibi terapötik uygulamalara olanak tanıması bekleniyor.

Mikrofuidiyal Aksialtrode konseptini Doçent Christos Markos ile birlikte geliştiren postdoc Kunyang Sui, en büyük avantajın birden fazla işlevin tek bir implant içinde birleştirilebilmesi olduğunu belirtiyor. Bu sayede araştırmacıların çok daha hassas deneyler yapabilmesinin yanı sıra, beyne yerleştirilen cihaz sayısının da azalmasını sağladığını ekliyor.

“Çoğu mevcut beyin implantı, sinire ve dokuda tahrişe ve enflamasyon tepkilerini tetikleyebilecek sert malzemeler olan silisyum bazlıdır. Yeni implant ise farklıdır; yumuşak, plastik benzeri optik liflerden üretilmiştir ve beyne yerleştirildiğinde oluşan hasarı azaltan, daha küçük hale getiren özel açılı bir uca sahiptir.”

Kunyang Sui

Sui, teknolojinin henüz rutin klinik kullanıma uzak olduğunu vurgulayarak, hastalara uygulanabilmesi için kapsamlı testlerin, ek geliştirmelerin ve düzenleyici onayların gerekli olduğunu belirtti.

Geleneksel Optik Liflerden Sonra Yeni Bir Yaklaşım

Beyin araştırmacıları bugün birçok deneyde düz uçlu optik lifler kullanıyor. Cam veya plastikten üretilen bu ince lifler, ışığı beynin derin bölgelerine taşıyabiliyor ve optogenetik adı verilen, sinir hücrelerinin ışıkla uyarmasında sıkça tercih ediliyor.

Geleneksel liflerin önemli bir sınırlaması var. Genellikle yalnızca lifin ucunda beyin dokusuyla etkileşime girerek araştırmacıların aynı anda tek bir bölgeyi uyarması veya izlemesini sağlıyor. Lifin en dış uç kısmı olan ve “burun” olarak da adlandırılan distal ucta ışık yayılıyor ve beyin dokusuyla temas yalnızca bu noktada oluşuyor. Bu nedenle bilim insanları, birden fazla katmanın ve derin yapının iletişimine dayanan çok sayıda nörolojik işlev olmasına rağmen, aynı anda ancak bir beyin katmanını ölçme veya uyarma sınırıyla karşılaşabiliyor.

İğne İnceliğinde Cihaz Nasıl Üretiliyor?

İğne inceliğindeki mAxialtrode, önce çok daha büyük bir polimer çubuktan başlıyor. Araştırmacılar malzeme ısıtarak onu aşırı ince bir lif haline getiriyor; bu süreç, son derece hassas biçimde üretilmiş çok ince bir şeker ipi üretmeye benziyor ancak çok daha büyük bir kesinlik içeriyor.

Lifin merkezinden ışık ileten bir çekirdek geçiyor. Çevresinde sıvıları taşıyabilen sekiz mikrokanal bulunuyor. Bu kanallar, aynı zamanda beyindeki elektriksel aktiviteyi ölçmek için kullanılan son derece ince metal telleri de içinde bulundurabiliyor.

Tamamlanan lif yarıdan az çapta, yani yarım milimetrenin altında kalınlıkta ve oldukça esnek; bu sayede sertçe geçirmek yerine beyin dokusuyla birlikte hareket edebiliyor. Sertlikteki bu farkın önemli olabileceği vurgulanıyor çünkü daha sert implantlar, beyinde uzun süre kaldıklarında enflamasyon tepkilerini tetikleyebilir.

Canlı Farelerde Test Edildi

Araştırmacılar sistemi yalnızca laboratuvar ortamında değil, aynı zamanda canlı fareler üzerinde (“in vivo”) de test etti. Elektrod farelerin beynine yerleştirildi ve ışık kaynaklarına, kayıt ekipmanına ve sıvı tesliminde kullanılan küçük pompalara bağlandı.

Deneyler, cihazın hem mavi hem de kırmızı ışık kullanarak sinir hücrelerini uyarması mümkün olduğunu gösterdi. Aynı zamanda araştırmacılar, beyin korteksi ve hipokampus dahil olmak üzere hem yüzeysel hem derin bölgelerden elektriksel aktivite kaydedebildi.

Farklı maddelerin farklı derinliklere enjekte edilmesi de mümkün oldu; teslim noktaları neredeyse üç milimetre birbirinden uzak olacak biçimde yerleştirildi. Bu ölçümlerin ve uyarma biçimlerinin tümü, farelerin açık rahatsızlık belirtileri göstermeden taşıyabildiği tek bir hafif lif üzerinden gerçekleştirildi.

Epilepsi ve Nörobilimde Öne Çıkan Uygulamalar

Canlı fareler üzerinde yapılan deneyler ve nörofizyolojik doğrulamalar, Kopenhag Üniversitesi Doçenti Rune W. Berg ile Londra Üniversite Koleji Doçenti Rob C. Wykes ile yakın işbirliği içinde gerçekleştirildi. Katkıları arasında epilepsiyle ilgili nöral devrelerin analizi ve modelleri alanında uzmanlık yer aldı.

Araştırma ekibi şimdi beyin elektrodunun arkasındaki teknolojinin patentini almak üzerinde çalışıyor. Bilim insanları aynı zamanda, cihazın klinik ortamda hastalar üzerinde test edilmeye başlanması için gerekenlerin neler olduğunu da inceliyor.