Javascript är avstängt eller blockerat i din webbläsare. Detta kan leda till att vissa delar av vår webbplats inte fungerar som de ska. Sätt på javascript för optimal funktionalitet och utseende.

Webbläsaren som du använder stöds inte av denna webbplats. Alla versioner av Internet Explorer stöds inte längre, av oss eller Microsoft (läs mer här: * https://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/windows/end-of-ie-support).

Var god och använd en modern webbläsare för att ta del av denna webbplats, som t.ex. nyaste versioner av Edge, Chrome, Firefox eller Safari osv.

Tre i rad – hattrick för hjärnelektroder

bild på forskarna Mohsin Mohammed, Jens Schoenborg, Johan Agorelius, Alexander Dontsios Holmkvist.
Fr vä: Mohsin Mohammed, Jens Schoenborg, Johan Agorelius och Alexander Dontsios Holmkvist.

För att studera hur hjärnan fungerar och utveckla nya tekniker för behandling av neurologiska sjukdomar har forskare vid Lunds universitet utvecklat vävnadsvänliga och flexibla mikroelektroder som är ungefär en tiondel så tjocka som ett hårstrå. Nu har tre av doktoranderna i forskargruppen precis disputerat.

Hjärnan är den mest komplicerade struktur vi känner till och den ligger bakom vår intelligens, kreativitet, tankar, minnen, känslor och våra sinnesintryck. Man har liknat den vid en dator men likheten haltar eftersom vi inte ens är nära att förstå hur vår hjärna fungerar. En viktig pusselbit som saknats är vävnadsvänliga elektroder för att under lång tid lyssna på och interagera med enskilda nervceller uppkopplade i nätverk. Sådana elektroder har Jens Schouenborgs forskargrupp vid Lunds universitet under många år forskat kring och utvecklat.

– Vi har tagit avgörande kliv mot målet att uppnå helt biokompatibla elektroder som inte stör den normala signaleringen mellan nervcellerna i hjärnvävnaden, säger Jens Schouenborg, professor som leder forskningsverksamheten vid Neuronano Research Center vid Lunds universitet.

För att utvärdera de nya elektroderna arbetar de bland annat med modeller av Parkinsons sjukdom, en sjukdom som innebär att nervceller i ett visst område i hjärnan bryts ned. När det sker kan stimulering via implanterade elektroder, ofta benämnd Deep Brain Stimulation (DBS), användas som behandling för att minska de motoriska symptom som patienter drabbas av.

Men det finns utmaningar. Med de elektroder som används idag, är det ofta svårt att få till en behandlande effekt utan biverkningar. Bland annat då de är så pass stora i förhållande till de vävnadsområden som stimuleras, vilket gör det svårt att undvika spridning av elektrisk ström till oönskade områden i hjärnan. Eftersom inflammation och ärrvävnad (den s.k. ”främmande kroppreaktionen”) regelbundet bildas runt sådana elektroder, måste dessutom starkare strömmar användas för att få en effekt.

Detta har forskargruppen vid Lunds universitet velat lösa. Deras koncept bygger på att använda många väldigt små mikroelektroder som sprids ut som ett kluster i målvävnaden och därefter välja ut de mikroelektroder som vid stimulering ger terapeutisk effekt utan synlig biverkan.

Med dessa elektroder kommer forskarna väldigt nära inpå nervcellerna. Det innebär att strömstyrkan som används inte behöver vara lika stark, vilket minskar risken för oönskade effekter. Men ger det terapeutisk effekt?

– Vi ser effekt, med råge. Särskilt om vi kombinerar 4-8 mikroelektroder inom klustret, och kanske viktigast: vi kan undvika biverkningar. Det kan i framtiden innebära att man genom att testa olika kombinationer kan skräddarsy behandlingen för varje patient efter målbild och symtom, något som vi nu utvärderar i större djurmodeller tillsammans med Neuronano AB och Jens Christian Hedemann Sörensens forskningsgrupp vid Århus Universitetssjukhus.

– Eftersom elektroderna är så flexibla måste de ha stöd när de planteras in. Forskargruppen har utvecklat en teknik där elektroderna inbäddas i hårt gelatin som efter implantationen löses upp och därefter bryts ned av hjärnans enzymer. Men gelatin är samtidigt väldigt svårarbetat och komplicerat material, suckar Jens Schouenborg.

Det är till exempel lätt hänt att elektroden blir sned om det är minsta asymmetri i torkprocessen. Men det har varit värt besväret – i slutändan har vi nu en lösning som ger avsevärt mindre påverkan på vävnaden än tidigare elektroder.

Elektrodkonstruktion som forskargruppen tagit fram som består av ytterst tunna guldelektroder som mjukt kan följa med i hjärnans rörelser och därmed ge stabila registreringar av intilliggande nervceller. Myntet till vänster är en engelsk penny. Bild: NRC
Elektrodkonstruktion som forskargruppen tagit fram som består av ytterst tunna guldelektroder som mjukt kan följa med i hjärnans rörelser och därmed ge stabila registreringar av intilliggande nervceller. Myntet till vänster är en engelsk penny. Bild: NRC

– Gruppen har också kommit mycket närmare att kunna registrera signaleringen i hjärnan under normala fysiologiska (autentiska) förhållanden, vilket inte varit möjligt tidigare. Den s.k. främmande kroppreaktionen har i det närmaste eliminerats och vi har till synes helt normala opåverkade nervceller alldeles inpå elektroderna, säger Jens Schouenborg.

Den nya generation av mikroelektroder som gruppen utvecklat ger extremt hög och stabil signalkvalitet under lång tid. Detta öppnar upp för helt nya möjligheter att förstå hur hjärnan faktiskt fungerar.

Gruppens forskning på implanterbara elektroder startade 2006 och har krävt ett tvärvetenskapligt förhållningssätt med utveckling och validering av helt nya koncept, metoder och tekniker.

–  Det har varit en snårig resa med många problem som behövde lösas, men det gick. Vi har kommit en bra bit på väg mot målet och har nu en helt ny teknikarsenal för att ta oss an de stora frågorna inom hjärnforskningen och för terapeutiska ändamål. Men det återstår fortfarande en del arbete innan vi är helt i mål.

Hur känns det nu när alla tre doktorander disputerar inom så kort tid?

–  Väldigt bra faktiskt!

Faktaruta: Bättre teknik nödvändig för att förstå hjärnan

”Hjärnan är den mest komplicerade struktur vi känner till. Den ligger bakom vår intelligens och inte minst kreativitet, tankar, minnen, känslor och våra sinnesintryck. Man har liknat den vid en dator och också försökt skapa nya datorer på basen av vad vi vet om hjärnan. Problemet är att vi inte ens är nära att förstå hur vår hjärna fungerar. Det saknas forskningsverktyg för att under lång tid lyssna och interagera med enskilda nervceller som samspelar i nätverk. Vår verksamhet syftar till att fylla denna brist på verktyg som kan användas för att lyssna och även interagera med den informationsbehandling som pågår i hjärnans olika nervcells kretsar när vi är vakna eller när vi sover.

Sådan teknik skulle kunna användas för att förstå hur hjärnan bearbetar information, lagrar och återkallar minnen men också för att förstå de bakomliggande mekanismerna för degenerativa sjukdomar som Alzheimers eller Parkinsons sjukdom eller vid epilepsi eller narkolepsi. Särskilt viktigt är teknik som gör det möjligt att registrera kommunikationen mellan nervcellerna i hjärnan under ostörda normala förhållanden. För detta krävs implanterbara elektroder som så lite som möjligt påverkar signaleringen i hjärnan. Vi har därför strävat mot att uppnå fysiologiska förhållanden i vävnaden också omedelbart runt elektroderna (dvs på mikrometer avstånd). Dagens elektroder är långt ifrån att uppfylla  detta vilket innebär att den informationsbehandling man kunnat utläsa hittills inte motsvarat vad som normalt pågår i den vakna eller sovande hjärnan. (vi ser nu en betydligt högre aktivitet i hjärnan än vad som observerats tidigare) Denna flaskhals inom neurovetenskapen är anledningen till vårt fokus på att förstå (ringa in) de problem som ligger bakom vävnadsreaktioner och förlust av nervceller i närområdet. I takt med att förståelsen ökat har vi utvecklat allt mer biokompatibla elektroder men också skonsammare implantationsmetoder.”
Jens Schouenborg

De tre avhandlingarna i korthet:

Alexander Dontsios Holmkvist: har varit med och utvecklat och utvärderat metoder som möjliggör lokal administrering av antiinflammatoriska läkemedel i hjärnan med hjälp av nanopartiklar – vilket innebär att man kan tillföra läkemedel direkt till ett specifikt område i hjärnan. Nanopartiklarna med läkemedlet minocyklin dämpade inflammation i hjärnvävnaden kring implanterade elektroder i möss.
Avhandling: Nanoparticle-based drug delivery systems for neural interfaces - a novel approach for improved biocompatibility l
 

Mohsin Mohammed: har varit med och utvecklat en ny typ av mikroelektroder beklädda med gelatin. Elektroderna användes för att registrera nervsignaler med hög kvalitet från råttans hjärna under åtta veckors tid. I experimentella studier stimulerades nervsignalerna genom elektroderna hos råttor med nedsatt motorik liknande den som drabbar personer med Parkinsons sjukdom. Råttornas motorik förbättrades och biverkningar kunde undvikas.
Avhandling: Microelectrode cluster technology for precis interactions with neuronal circuits

Johan Agorelius: har varit med och utvecklat flexibla elektroder och undersökt vävnadsresponsen hos dessa. Signaler från nervceller hos råtta lästes av under tre veckors tid med god stabilitet i vakna rörliga råttor. Resultaten visar att flexibla elektroder med vävnadsanpassad densitet och hög flexibilitet är bättre för vävnaden. Har även visat att nanopartiklar med läkemedlet minocyklin dämpar immunförsvarets reaktion i vävnaden.
Avhandling: Development of highly biocompatible neuro-electronic interfaces - towards monitoring authentic neuronal signaling in the brain

Fakta Neuronano AB och Neuronano Medicin

Neuronano AB startades 2006 av Jens Schouenborg och Per-Anders Johansson för att utveckla elektrodteknik för kliniska tillämpningar.

Neuronano Medicin startade 2018 med syftet att förbättra kommunikation och samarbete mellan universitetsforskare, kliniska forskare, industri och patienter. Stöds av Region Skåne och Lunds universitet.

 

Kontakt

Jens Schouenborg, professor i neurofysiologi, Neuronano Research Center, 046-222 77 52, jens.schouenborg@med.lu.se

Intresserad av forskning och samhälle?
Prenumerera på Apropå!
I nyhetsbrevet Apropå varvas senaste nytt från Lunds universitet med kommentarer till aktuella samhällshändelser från några av våra 5000 forskare.