211service.com
Labāks veids, kā pārbaudīt smadzenes
Polina Anikeeva, PhD '09, izstrādā materiālus, kas piedāvā zemas ietekmes vai pat bezvadu savienojumus ar nervu sistēmu, ļaujot pētniekiem stimulēt un apkopot datus no atsevišķām smadzeņu šūnām. 2015. gada 21. aprīlis
Smadzenes bieži tiek raksturotas kā vissarežģītākā zināmā struktūra: daudzas šūnas, kas ir savienotas tīklos un mucas ar elektrisku un ķīmisku darbību. Kā materiālu zinātniece Polina Aņikejeva, PhD '09, arī zina, ka smadzenes ir daudz mīkstākas un elastīgākas nekā ierīces, ko izmantojam to pētīšanai. Tam faktiski piemīt šokolādes pudiņa elastīgās īpašības, saka Anikejeva, MIT materiālu zinātnes un inženierzinātņu docente. Ja vēlaties, varat to ar karoti.
Tomēr, kad zinātnieki mēģina izpētīt smadzenes, viņi parasti paļaujas uz stingriem un asiem materiāliem, piemēram, silīcija zondēm un tērauda elektrodiem. Viņa saka, ka tam ir tikpat liela jēga kā pudiņa griešanai ar nazi.
Ar neironu implantiem cilvēkiem, piemēram, ierīcēm dziļai smadzeņu stimulācijai, neatbilstībai var būt smagas sekas. Stingri elektrodi var izgriezt audus, ja smadzenes satricina. Šūnas no imūnsistēmas un tuvējiem audiem spieto, ieskaujot jebkuru implantu ar rētaudi. Līdzīgas problēmas attiecas uz muguras smadzeņu nervu saskarnēm.
Anikeeva, kas vada MIT Bioelektronikas laboratoriju, izstrādā labākus veidus, kā mijiedarboties ar smadzenēm un muguras smadzenēm. Lai gan viņas laboratorija ir jaunāka par četriem gadiem, prominenti žurnāli ir publicējuši virkni viņas grupas rakstu, kuros demonstrētas jaunas tehnoloģijas, tostarp plānas, elastīgas polimēru šķiedras zondes neironu aktivitātes stimulēšanai un reģistrēšanai, kā arī magnētiskās nanodaļiņas, ko varētu izmantot, lai. stimulēt tos bez vadiem. Mērķis ir pārbaudīt smadzenes ar maigāku pieskārienu — un darīt to precīzi, vienlaikus integrējot vairākas funkcijas vienā ierīcē.
Anikeeva darbs jau ļauj citiem zinātniekiem veikt jauna veida pētījumus par smadzenēm un muguras smadzenēm. Galu galā viņas radītie materiāli varētu piedāvāt mazāk invazīvu veidu, kā savienot ierīces ar cilvēka ķermeni, lai ārstētu neiroloģiskas slimības vai atjaunotu kustību.
Zinātnes nerds
Es būtībā biju zinātnes nerds jau no paša sākuma, saka Anikejeva. Viņa uzauga Sanktpēterburgā, Krievijā, meita vecākiem, kuri abi mācījušies kā inženieri mehāniķi. (Viņas māte palīdzēja projektēt kodolzemūdenes pirms Padomju Savienības sabrukuma.) 12 gadu vecumā viņa tika uzņemta prestižajā Fizikāli-tehniskajā vidusskolā, kas ir saistīta ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Ioffes Fizikāli-tehnisko institūtu. Skolā mācās tikai 180 skolēnu, un nodarbības notiek sešas dienas nedēļā; tās mērķis ir sagatavot nākamos pētniekus. Viņa saka, ka ir grūtāk iekļūt nekā MIT.
Anikejeva studējusi biofiziku Sanktpēterburgas Valsts Politehniskajā universitātē; apmaiņas programmā Šveices Federālajā tehnoloģiju institūtā Cīrihē viņa iemācījās analizēt proteīnu struktūru, izmantojot kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopiju. Pēc absolvēšanas viņa pabeidza gadu ilgu praksi Los Alamos Nacionālajā laboratorijā Ņūmeksikā, projektējot saules baterijas no pusvadītāju nanokristāliem, kas pazīstami kā kvantu punkti.
Kad viņa apmeklēja absolventu skolas, MIT izcēlās ar saviem studentiem un mācībspēkiem. Es jutu, ka MIT mani ieskauj patiesi talantīgi cilvēki, kuri ir fanātiski par savu darbu, viņa saka. Viņa sāka savu doktora pētījumu 2004. gadā Vladimira Buloviča laboratorijā, kas toreiz bija elektrotehnikas un datorzinātņu asociētais profesors, kurš izstrādāja jaunas elektroniskas un optiskas ierīces, izmantojot nanotehnoloģiju. Tur viņa ieviesa paņēmienu gaismas diožu radīšanai, izmantojot kvantu punktus, lai radītu dažādu krāsu gaismu.
Anikejevai patika strādāt ar nanomateriāliem, taču viņai bija arī aizraušanās ar bioloģiju. Mūsu mobilajos tālruņos ir tik sarežģītas tehnoloģijas — mums ir šie skaistie displeji, mūsdienīgi skaitļošanas moduļi, tranzistori, shēmas un tā tālāk, viņa saka. Viņa vēlējās izmantot dažus no šiem sasniegumiem, lai uzlabotu ķermeņa tehnoloģijas. Bet, pirms es augstprātīgi gāju un mēģināju atrisināt problēmas, par kurām es nezināju, ka pastāv, viņa saka, es nolēmu, ka man patiešām jāpavada kāds laiks bioloģiskajā vidē.
Anikeeva pārbauda šķiedru partiju, no kurām katra satur vienu elektrodu. Tie tiks izvietoti ap dobām caurulēm un izstiepti, veidojot 100 mikrometru platas neironu zondes, kas var piegādāt zāles un reģistrēt informāciju.
Šis lēmums viņu aizveda uz Karla Deisserota neirozinātņu laboratoriju Stenfordas universitātē. Viņa grupa veica revolucionāru darbu optoģenētikā, kas izmanto gaismu, lai stimulētu šūnas dzīvnieku smadzenēs, kas ir izstrādātas, lai iekļautu gaismas aktivētus proteīnus. Kad es redzēju, ka viņi izstrādā metodes, kā optiski kontrolēt smadzenes, es biju patiešām pārsteigta, viņa saka. Tas arī ierosināja jaunu veidu, kā pielietot viņas prasmes. Smadzenes nozīmē darbības potenciālu un spriegumu — es domāju, ka esmu optoelektronikas cilvēks, es varu atpalikt no sprieguma, viņa saka. Tas ir kaut kas, ko man ir iespēja saprast.
Deisserota grupai bija nepieciešama aparatūra, lai nosūtītu gaismu noteiktās peles smadzeņu zonās, vienlaikus veicot elektriskos ierakstus no apgaismotajām šūnām. Divu gadu pēcdoktorantūras laikā, kas sākās 2009. gadā, Anikejeva izstrādāja zondi, kas bija sarežģītāka par to, ko viņi izmantoja; viņas versija ietvēra vairākus elektrodus gar optisko šķiedru. Tas bija galvenais solis, lai iegūtu bagātīgus rādījumus no optiskās šķiedras saskarnes, saka Deisseroth.
Pieredze mācīja Anikejevai veikt eksperimentus un strādāt ar dzīvniekiem, un tā viņai lika atrisināt problēmas. Saņemot šo pamata neirobioloģisko apmācību, es domāju par mūsu izmantotajiem rīkiem, viņa saka. Šīs tehnoloģijas patiešām ir diezgan primitīvas. Tie bija pārāk lieli un pārāk apjomīgi, un tiem nebija pietiekami daudz iespēju. Biologi, ar kuriem Anikeeva strādāja, mikroskopos manipulēja ar atsevišķiem vadiem, kas ir tālu no sarežģītām ražošanas metodēm, ko izmanto elektronikas nozarē.
Es jutu, ka mums vajadzētu būt labākiem, viņa saka. Un, kad viņai tika piedāvāts fakultātes amats MIT, šis priekšnoteikums kļuva par viņas pašas laboratorijas pamatu. Savā pašreizējā darbā Anikeeva izmanto savas zināšanas materiālu zinātnē neirozinātnēs. Viņa ir neticami talantīga neatkarīgi no tā, ko viņa dara, saka Bulovičs, tagad jauno tehnoloģiju profesors, Inženierzinātņu skolas asociētais dekāns inovāciju jautājumos un MIT inovāciju iniciatīvas līdzdirektors. Viņa ņēma visu šo pieredzi, ko viņa ieguva… un atzina, ka viņa var tos apvienot vienotā veselumā.
Labāks āmurs
MIT pagraba laboratorijā Andress Kanaless, SM '13, doktorants Anikejevas grupā, vēro, kā notiek fiziska transformācija: polimēru un metāla cilindrs tiek lēnām izkausēts un ievilkts garā, vermicelli līdzīgā stieplē no augsts tornis vienā istabas stūrī. Viens no iemesliem, kāpēc Anikejeva vēlējās atgriezties MIT, bija sadarboties ar Joelu Finku, Elektronikas pētniecības laboratorijas direktoru un vadošo novatoru šajā šķiedru vilkšanas tehnikā, kurā materiāli tiek salikti kopā, karsēti un velk īpaši plānā veidā. šķiedras, kas saglabā sākotnējo struktūru un funkcionalitāti. Finks ir dalījies ar savu laboratoriju gan ar savām zināšanām, gan ar šķiedru vērpšanas torni, kas piedāvā precīzu vadību un iespēju samazināt funkcijas līdz mikroskopiskam līmenim (skatiet demonstrāciju).
Pateicoties šai sadarbībai, viņas komanda ir iekļāvusi optiskos viļņvadus, elektrodus un zāļu piegādes kanālus vienā šķiedrā, kas var būt tikpat plāna kā cilvēka mati un pietiekami elastīga, lai aptītu ap pirkstu. Un kritiski svarīgi ir tas, ka ķermenis šīs ierīces neatraida.
Šādas iespējas varētu palīdzēt neirozinātniekiem, kas cenšas atšķetināt sarežģītas smadzeņu funkcijas pelēm. Guoping Feng, smadzeņu un kognitīvo zinātņu profesors MIT McGovern institūtā, izmanto Anikeeva zondes, lai pētītu psihiskas slimības, piemēram, autismu un obsesīvi-kompulsīvos traucējumus. Viņa darbs ir saistīts ar saziņu starp neironiem smadzenēs un saistību starp gēniem, smadzeņu ķēdēm un uzvedību. Lai novērotu šos procesus dzīvos dzīvniekos, pētniekiem jāspēj precīzi manipulēt ar noteiktām shēmām un reģistrēt manipulēto šūnu darbību. Viņš saka, ka ar plānu, daudzfunkcionālu ierīci jūs varat iegūt visas iespējas ar minimālu traucējumu vai smadzeņu audu bojājumu.
Ierīces var izmantot arī muguras smadzenēs, kurām ir grūti piekļūt un kurām ir nepieciešama elastīga ierīce, jo tās bieži kustas un stiepjas. Lai gan muguras smadzeņu elektriskā stimulācija var izraisīt kustību paralizētiem dzīvniekiem un ir klīniski izmantota cilvēkiem ar pieticīgiem rezultātiem, Vašingtonas Universitātes Sietlā rehabilitācijas medicīnas profesors Čets Morics saka, ka optiskā stimulācija varētu ļaut precīzāk kontrolēt specifiskas šūnas. Viņš saka, ka elektriskā stimulācija ir diezgan liels āmurs. Izmantojot optoģenētiku, jums var būt diezgan liela pārliecība, ka aktivizējat noteiktu ķēdi.
Morics darbojas, stimulējot muguras smadzeņu augšējo daļu – galu galā, lai atjaunotu tādas kustības kā aizsniegšana un satveršana, kas prasa lielāku smalkumu nekā staigāšana. Lai to izdarītu, viņam tieši jāvēršas pret konkrētiem neironiem. Strādājot ar Anikejevu, viņš pārbauda iespēju izmantot gaismu, lai stimulētu žurku muguras smadzenes ar aci, lai reanimētu paralizētās ekstremitātes.
Bezvadu smadzeņu stimulācija
Tikmēr Anikeeva izmanto tehnoloģijas, kas var stimulēt noteiktas smadzeņu zonas bez vadiem. Nesenā rakstā viņas grupa demonstrēja paņēmienu, kas izmanto magnētiskos laukus un injicētas nanodaļiņas, lai aktivizētu šūnas dziļi peļu smadzenēs.
Šajā procesā ar mainīgu magnētisko lauku palīdzību tiek uzkarsētas magnētiskās nanodaļiņas, kas viegli iziet cauri smadzeņu audiem, tos neietekmējot. Gadu desmitiem pētnieki ir strādājuši pie metodēm, kā injicēt magnētiskās nanodaļiņas audzējos un karsēt tos ar magnētiem, lai iznīcinātu vēža šūnas. Bet tā vietā, lai iznīcinātu šūnas, Anikejeva vēlējās radīt ātru siltuma uzliesmojumu, kas liktu neironiem aizdegties.
Citi zinātnieki ir izmantojuši līdzīgu pieeju, lai stimulētu šūnas, kas izstrādātas, lai ekspresētu uz siltumu reaģējošu proteīnu TRPV1. Taču Anikejeva saka, ka šūnas šajos pētījumos reaģēja pārāk lēni, lai nodrošinātu tūlītēju stimulāciju, kādu viņa vēlas sasniegt.
Viņas komanda, kuru vadīja maģistrantūras studenti Ritchie Chen, SM '13 un Michael Christiansen, sāka modelēt, kā magnētiskās nanodaļiņas izkliedē siltumu. Daļiņas pieskaņojas magnētiskajam laukam un izlīdzinās, kad mainās tā virziens, izdalot siltumu šajā procesā. Modeļi parādīja, ka šis efekts bija spēcīgāks, ja daļiņu izmērs un forma atbilst magnētiskā lauka īpašībām. Pielāgojot gan magnētisko spoļu, gan nanodaļiņu dizainu, pētnieki varēja ātrāk ražot vairāk siltuma.
Daļiņas ir izgatavotas no dzelzs oksīda (parasti tiek izmantots kā kontrastviela MRI) un pārklātas ar polimēriem, lai ķermeņa imūnsistēma tās neizsūktu. Anikeeva komanda izmantoja vīrusu, lai ievadītu TRPV1 gēnu šūnās noteiktā peļu smadzeņu daļā. Tad viņi injicēja to pašu reģionu ar nanodaļiņām. Zem magnētiskā lauka daļiņas uzkarsa, izraisot modificēto neironu aizdegšanos.
Anikeeva tagad pēta, vai mainot magnētiskos laukus un daļiņu sastāvu, var mērķēt uz vairākiem šūnu tipiem vai smadzeņu ķēdēm. Un, lai gan šajā pētījumā tika izmantota gēnu inženierija, lai peles šūnās iegūtu siltumjutīgu proteīnu, viņa saka, ka TRPV1 ir izplatīts cilvēka smadzenēs, tāpēc šāda viltošana var nebūt nepieciešama, lai izmantotu šo paņēmienu cilvēkiem.
Šī demonstrācija, lai arī tā ir provizoriski, norāda uz daudz mazāk invazīvu veidu, kā stimulēt šūnas dziļi smadzenēs. Pašlaik pacientiem, kuri saņem dziļu smadzeņu stimulāciju tādām slimībām kā Parkinsona slimība, nepieciešama operācija, lai implantētu elektrodus, kas savienoti ar ārēju akumulatoru. Šīm pelēm bija vienkārša injekcija, un magnētiskās nanodaļiņas palika aktīvas mēnesi vēlāk. Viņa iedomājas, ka kādu dienu pacienti varētu saņemt magnētiskas zāles un katru dienu pavadīt noteiktu laiku pie magnētiskas ierīces.
Anikeeva grupa pilnveido šīs tehnoloģijas un meklē līdzstrādniekus, kas tās izmēģinās. Viņa paredz izmantot mīkstas polimēru zondes, lai precīzi kartētu smadzenes vai piegādātu zāles vai optisku stimulāciju un pēc tam uzraudzītu tās ietekmi uz šūnu aktivitāti.
Viņa arī ļoti interesējas par tehnoloģiju izmantošanu kā neironu saskarnēm, lai ārstētu paralizējošus ievainojumus. Kad draugs guva nopietnu muguras smadzeņu traumu, kāpjot klintīs, Anikejevu pārsteidza rehabilitācijas un kustību atjaunošanas tehnoloģiju primitīvais stāvoklis. Viņa saka, ka tas ļoti dziļi ietekmēja manu pētniecības programmu.
Anikejeva, kura pati ir entuziasma klinšu kāpēja un distanču skrējēja, īpaši interesējas par kustībām, jo viņai tas šķiet ļoti svarīgi savai domāšanai. Viņa saka, ka kāpšana ir liela, noteicoša manas dzīves daļa, un viņa bieži vien atrisina problēmas, skrienot divas vai trīs stundas vienlaikus. Es nekad nevingroju ar mūziku, viņa saka. Būtībā es esmu pret manām smadzenēm.