Невропротеза може да помогне за предотвратяване на епилептични припадъци

Акценти

Екип от Държавния университет „Н. И. Лобачевски“ в Нижни Новгород, Русия, създава основния елемент на невропротеза за хората, страдащи от епилепсия. Невропротезирането на базата на мемристори предотвратява епилептичните гърчове и заменя увредени области в мозъка.

Невропротезата, в основата на която е мемристор

Изследователите успяват да обработят сигнал от клетки на хипокампуса (намира се в средния темпорален лоб и основната му функция е свързана с процеса на запаметяване, известен е още като Амонов рог). Правят го с помощта на изкуствен синапс, базиран на мемристор.

Мемристорът представлява полупроводник от нов тип, той е електронен елемент, чието основно свойство е да променя съпротивлението си в зависимост от протичащия през него електрически заряд.

Мемристорният синапс реагира на електрическата активност на живите неврони и демонстрира пластичността, характерна за синапсите.

Мемристорите притежват способността да изпълняват функциите както на неврони, така и на синапси. Едно от големите предимства на мемристора е, че може да генерира, обработва и съхранява информация.

Невропротезите на основата на мемристори са миниатюрни, което е от огромно значение за медицинската практика. Така те ще бъдат както по-бързи и по-ефективни, така и по-евтини.

Мемристорите, които екипът използва в това изследване, са на базата на стабилизиран циркониев диоксид, създаден в лабораторията по мемристорна наноелектроника в Университета „Лобачевски“.

Авторът на изследването Мария Корязкина, която е научен сътрудник в Лабораторията за стохастични мултистабилни системи, уточнява, че невроните обменят аналогови сигнали.

>>>Започна първото британско изпитване за дълбока мозъчна стимулация за деца с епилепсия

„В традиционната микроелектроника те могат да бъдат моделирани с помощта на транзистори, усилватели и други стандартни елементи. В резултат ще се получат големи системи с висока консумация на енергия, но с ниска скорост на работа. Благодарение на своята гъвкавост, мемристорите ще направят невропротезните вериги много по-продуктивни, по-прости и по-точни“, разяснява смисълът на разработката Мария Корязкина.

Какво показват опитите

Извършените множество опити in vitro показват, че мемристорът реагира на невронните сигнали като част от жива система. А тестовете, осъществени върху здрави и епилептични мозъчни клетки, показват, че устройството е в състояние не само да разпознава епилептични сигнали, но и потенциално да ги блокира.

„Можем плавно да регулираме проводимостта на мемристора, за да предаваме нормален невросигнал и да потискаме епилептичните припадъци. Освен да ги предотвратява, уредът ще бъде в състояние и да замени увредените области в мозъка“, казва Мария Корязкина.

Създаването на електронна компонентна база, в основата на която са нови физически принципи, допринася за разработването на ново поколение невропротези и невромодулиращи устройства.

>>>Инструментът EpiScalp намалява случаите на погрешно диагностициране с епилепсия

„В нашия проект демонстрирахме различен подход за моделиране на епилептичната активност в in vitro експерименти и показахме основните принципи на работа на мемристорните невропротези на ниво клетъчна мрежа“, коментира друг от участниците в проучването старши изследователката от Института по невронауки на Университета „Лобачевски“ Албина Лебедева.

В статията в списание Chaos, Solitons & Fractal, в която представят резултатите от научната си разработка, авторите пишат: „Свойствата на мемристорите могат да помогнат при анализа епилептичната невронна активност и да се превърнат в част от нови невронни интерфейси за обработка на епилептични сигнали, но и да бъдат използвани в устройства за спирането на припадъците. Има и нещо повече, част от авторите на статията вече са показали, че мемристорите могат да се използват в хибридна невроморфна система, която прави възможно стимулирането на области на хипокампуса като заобикаля увредените зони. А невронната мрежа, базирана на мемристор, може да бъде използвана за прогнозиране на епилептичната активност още преди нейното реално възникване.“

За епилепсията и лечението й

Епилепсията е сред тежките заболявания, които влияят значително върху продължителността и качеството на живота на болните.

Сред най-прилаганите и разпространени методи на лечение днес са медикаментозната терапия и хирургическата интервенция. Близо 30% от болните обаче не се повлияват от лечението с медикаменти и стават част от групата на пациентите с резистентна епилепсия.

Хирургичната резекция, която определят като един от най-надеждните методи, с които се спира появата на гърчове, има ограничени възможности. Причината е, че често не може да бъде премахната цялата област, където се появяват епилептичните гърчове, а хирургическата намеса може да провокира допълнителни усложнения.

>>>Специфични промени в човешката ДНК увеличават риска от развитие на епилепсия

Невростимулацията е обещаващо лечение, което включва използването на електрически ток в мозъка, който спира патологичната невронна активност. Методите за стимулиране обаче не са достатъчно адаптивни и гъвкави, което увеличава негативните ефекти и намалява ползата от стимулацията.

Затова разработването на нови методи и на устройства, като невронния интерфейс или интерфейсът мозък-компютър, за спирането и подтискането на епилептичната невронна активност са спешни задачи пред медицината. В този смисъл мемристорите се смятат за обещаващи елементи в подобни устройства, най-вече защото показват множество функции, които са присъщи на биологичните неврони.