Simulacije možganov za zdravljenje nevroloških in nevropsihiatričnih bolezni

Ljudje z motnjami v delovanju možganov se pogosto zanašajo na zdravila, ki ne koristijo vsem, v nekaterih primerih pa tudi na kirurške posege. Raziskovalci, ki jih financira EU, zdaj ugotavljajo, ali bi nanotehnologija nekega dne lahko ponudila varnejše, manj invazivne alternative.

Zdravljenje resnih motenj v delovanju možganov že več desetletij pogosto pomeni sklepanje kompromisov. Simptome je sicer mogoče ublažiti, vendar navadno le z invazivnimi kirurškimi posegi in elektrodami, ki ostanejo vsajene v telesu vse življenje. »Živeti z žicami v telesu ni idealno,« je dejala nevroznanstvenica Mavi Sanchez-Vives, vodja skupine za sistemsko nevroznanost na raziskovalnem inštitutu IDIBAPS v Barceloni. »Vendar je za številne bolnike to edina rešitev.«

Ta paradigma se morda začenja spreminjati. Mavi Sanchez-Vives je vodja triletne raziskovalne pobude Meta-brain, ki jo financira EU in bo potekala do decembra letos. Skupina raziskuje nove načine za interakcijo z možgani, in sicer z združevanjem nanotehnologije, ultrazvoka in naprednega spremljanja možganov.

Skupina, v kateri so znanstveniki in klinični zdravniki z vodilnih evropskih raziskovalnih ustanov, med drugim v Avstriji, na Cipru, v Italiji, Španiji in Švici, razvija brezžične, minimalno invazivne načine za obnovitev delovanja možganov. Z uporabo nanotehnologije vzpostavljajo interakcijo z nevroni na daljavo, brez trajnih vsadkov ali operacije na odprtih možganih.

Čedalje večja nevrološka obremenitev

Nevrološke motnje so eden največjih zdravstvenih izzivov našega časa ter glavni vzrok bolezni in invalidnosti po vsem svetu. Samo v Evropi 165 milijonov ljudi trpi zaradi posledic možganskih motenj, kot so parkinsonova bolezen, možganska kap, epilepsija, depresija, tesnoba in travmatična možganska poškodba. »Te motnje, ki jih povzroča patologija možganov, so pogosto povezane s spremembami ritma delovanja možganov in vzorcev možganske aktivnosti,« je pojasnila raziskovalka Sanchez-Vives.

Oblike zdravljenja, ki so zdaj na voljo, so še vedno omejene. Zdravljenje z zdravili ne koristi vsem bolnikom in ima lahko občutne stranske učinke. Pri kirurških pristopih, kot je globoka možganska stimulacija, je treba globoko v možgane vsaditi elektrode, ki blokirajo ali uravnavajo napačne signale.

»Nekateri bolniki živijo s temi vsadki več desetletij,« je dejala Mavi Sanchez-Vives. »Vendar jih spremljajo tveganja in zapleti. Potrebujemo boljše možnosti.«

Brezžična interakcija
z možgani

Raziskovalna skupina pobude Meta-brain raziskuje čim manj invazivne načine za natančno nadzorovanje možganskega delovanja na daljavo. »Glavni cilj je raziskati nove oblike brezžične interakcije z možgani,« je povedala. »Želimo zagotoviti izjemno natančen nadzor, pri čemer nam nanotehnologija služi kot vmesnik.«

Neinvazivni načini za stimulacijo možganov sicer že obstajajo, vendar imajo precej pomanjkljivosti. Nekaterih ni mogoče omejiti na točno določena območja v možganih, z drugimi pa ni mogoče doseči globljih struktur. »Zato potrebujemo neinvazivne pristope, ki lahko hkrati dosežejo katerikoli del možganov,« je dejala nevroznanstvenica.

Raziskovalci v ta namen preiskujejo dve zamisli, ki se dopolnjujeta. Prva z natančno usmerjenimi ultrazvočnimi valovi spodbuja možgane od zunaj. Druga temelji na nanodelcih, ki jih je mogoče usmeriti in aktivirati z magnetnimi polji, imenujejo pa se magnetoelektrični nanodelci.

Majhni delci, ki delujejo kot brezžične elektrode

»Magnetoelektrični nanodelci so se izkazali za posebej obetavno možnost,« je povedala Marta Parazzini, direktorica raziskav na inštitutu za elektroniko, informacijski inženiring in telekomunikacije italijanskega nacionalnega raziskovalnega sveta v Milanu.

Magnetoelektrični nanodelci, ki so bistveno manjši od širine človeškega lasu, preprosto povedano pretvarjajo magnetne signale v električne signale, kakršne za komuniciranje uporabljajo tudi nevroni. Ko so izpostavljeni zunanjemu magnetnemu polju, ustvarijo lokalno električno polje in tako delujejo kot brezžične elektrode. »Lahko jih vbrizgamo brez operacije in jih na daljavo upravljamo z magnetnimi polji,« je pojasnila Parazzinijeva. »Ker so tako majhni, jih lahko umestimo z izredno natančnostjo.«

Laboratorijski poskusi so že pokazali, da je te nanodelce mogoče nadzorovano aktivirati z zunanjimi magnetnimi polji. Ključno pa je, da lahko spodbujajo in zavirajo možgansko delovanje. »To nam omogoča številne možnosti zdravljenja,« je povedala. »Stimulacijo možganov lahko namreč natančno prilagodimo, namesto da bi le vklopili ali izklopili nevrone.«

Zdravljenje možganov
brez kirurških posegov

Raziskovalci dolgoročno predvidevajo načine uporabe, s katerimi bi se lahko bistveno spremenilo zdravljenje nevroloških poškodb in motenj. Pacienta, ki je v hudi nesreči dobil možgansko poškodbo, bi lahko na primer prepeljali v bolnišnico, kjer bi opravili podrobno slikanje možganov, na podlagi tega pregleda pa bi klinični zdravniki vbrizgali magnetoelektrične nanodelce neposredno v prizadeta območja v količinah, prilagojenih prav temu pacientu. »Te odločitve bi lahko sprejemali na podlagi po meri prilagojenega računalniškega modeliranja možganov,« je pojasnila Marta Parazzini.

Ko bi bili nanodelci na svojem mestu, bi jih aktivirali od zunaj, na primer z napravo, podobno čeladi, da bi vzpostavili zdrave vzorce dejavnosti ter usmerili poškodovano tkivo nazaj k normalnemu fiziološkemu delovanju. »Namen je takojšnje posredovanje, ne da bi morali odpreti lobanjo ali vsaditi strojno opremo,« je nadaljevala.

»Poškodbo bi lahko zdravili takoj in se morda celo izognili kirurškim posegom. Ta metoda bi bila bistveno varnejša in hitrejša ter manj invazivna. O tem sanjamo.«

Od laboratorija do uporabe, ki spremeni življenje

Skupina pobude je doslej izvedla obsežne poskuse na možganskem tkivu in zdaj začenja študije in vivo na glodavcih. V okviru projekta ne bodo potekali poskusi na ljudeh, čeprav raziskovalci nameravajo izvajati računalniške simulacije na podrobnem 3D-modelu človeških možganov.

Če bo tehnologija uspešna, bi sčasoma lahko omogočila učinkovitejše zdravljenje širokega nabora nevroloških in nevropsihiatričnih bolezni. Ljudje s parkinsonovo boleznijo bi se lahko gibali manj moteno, pacienti z epilepsijo bi lahko bolje nadzorovali napade, tisti z zapletenimi psihiatričnimi motnjami pa bi bili deležni bolj tarčnega zdravljenja.

Tehnologija lahko poleg zdravljenja tudi pomaga obnoviti ali nadomestiti izgubljene čute. Magnetoelektrični vmesniki bi ljudem s poškodovanimi senzoričnimi potmi lahko nekega dne pomagali nadomestiti ali obiti prekinjene povezave, kar bi omogočilo nove možnosti zdravljenja za nekatere oblike slepote in druge senzorične izgube.

Neraziskano področje

Raziskovalci kljub obetavnim rezultatom poudarjajo, da je njihovo delo še v zgodnji fazi. »Preden bo ta tehnologija dosegla paciente, bo preteklo še kar nekaj časa,« je dejala Mavi Sanchez-Vives. »Najprej moramo podrobno razumeti, kako se ti delci obnašajo v možganih in kako bi jih lahko varno in učinkovito nadzorovali.«

Kljub temu pa potenciala ni mogoče zanikati. »Naravnost osupljivo je, da lahko tako majhni delci tako pomembno vplivajo na nevrone,« je povedala. »Raziskujemo povsem novo področje, ki bi lahko nekoč popolnoma spremenilo način zdravljenja možganskih motenj.«

­­———

Raziskave, omenjene v članku, je financiral evropski svet za inovacije. Članek je bil prvotno objavljen v reviji Horizon, reviji EU o raziskavah in inovacijah.