Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

Das menschliche Gehirn ist ein riesiges Netzwerk aus elektrischen Signalen, und seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Wegen, diese Signale von außerhalb des Schädels sanft zu beeinflussen, um zu verstehen, wie der Geist funktioniert oder um Erkrankungen wie Depressionen zu behandeln. Eine leistungsstarke Methode hierfür ist die transkranielle Magnetstimulation. Sie funktioniert, indem sie ein kurzes, intensives Magnetfeld erzeugt, das ohne Berührung durch den Schädel dringt. Dieses Magnetfeld wiederum induziert einen kleinen elektrischen Strom im darunter liegenden Hirngewebe, der bestimmte Gruppen von Neuronen aktivieren oder beruhigen kann. Während diese Technik zu einem Standardwerkzeug in der Forschung und einer zugelassenen Therapie für bestimmte medizinische Zustände geworden ist, sind die Maschinen, die diese Magnetpulse erzeugen, typischerweise massiv, komplex und prohibitiv teuer, wobei die Kosten oft in die Zehntausende von Dollar gehen. Dieser hohe Preis hält die Technologie für viele universitäre Lehrstühle, kleinere Forschungsgruppen und unabhängige Wissenschaftler, die vielleicht neue Wege der Hirnstimulation experimentell untersuchen möchten, außer Reichweite.

Ein Forscherteam der McGill University hat sich zum Ziel gesetzt, diese Dynamik zu ändern, indem sie eine funktionierende Version dieser Maschine zu einem Bruchteil der üblichen Kosten baut. Sie entwickelten ein Gerät, das dieselbe Art von Magnetpuls liefern kann, wie er in professionellen Studien verwendet wird, konstruierten es jedoch unter Verwendung gängiger Standardkomponenten, die jeder mit grundlegenden Elektronikkenntnissen erwerben kann. Die gesamte Maschine, einschließlich der spezialisierten Spule, die am Kopf anliegt, wurde für etwa 700 Dollar gebaut. Die Forscher haben die Teile nicht nur zusammengebaut; sie haben das Gerät streng getestet, um sicherzustellen, dass es Magnetfelder erzeugen kann, die stark genug sind, um potenziell menschliche Gehirnzellen zu aktivieren. Ihre Arbeit zeigt, dass hochleistungsfähige Hirnstimulation kein Millionen-Dollar-Laborbudget erfordert, vorausgesetzt, die Erbauer verfügen über das richtige technische Wissen und respektieren die erheblichen Sicherheitsrisiken.

Der Kern dieses neuen Geräts ist ein einfaches, aber kraftvolles Konzept: eine große Menge an elektrischer Energie speichern und diese alle auf einmal durch eine Drahtspule freisetzen. Die Forscher verwendeten eine Bank von Kondensatoren – Komponenten, die elektrische Ladung so speichern, wie ein Akkumulator Wasser speichert – um Energie zu speichern. Sie luden diese Kondensatoren auf eine sehr hohe Spannung von etwa 1.460 Volt auf, mithilfe eines Ladestromkreises, der aus einem standardmäßigen 24-Volt-Netzteil und einem speziellen Transformator aufgebaut wurde. Sobald die Kondensatoren voll waren, löste das Team einen Schalter namens Thyristor aus, um die gespeicherte Energie in einem Sekundenbruchteil freizusetzen. Dieser plötzliche Stromstoß floss durch eine maßgeschneiderte, in Form einer Acht gewickelte Spule und erzeugte so eine schnelle Änderung des Magnetfeldes. Diese spezifische Form und die Geschwindigkeit des Pulses sind entscheidend, da sie bestimmen, wie das Magnetfeld mit dem Gehirn interagiert. Der resultierende Puls dauerte etwa 90 Mikrosekunden, eine Dauer, die die Forscher als effektiv für die Stimulation von Neuronen berechnet hatten.

Die Sicherheit war während des gesamten Entwurfs ein primäres Anliegen, da das Gerät genug Energie speichert, um bei unsachgemäßer Handhabung tödlich zu sein. Das Team baute mehrere Schutzschichten ein, um versehentliche Schläge oder unkontrollierte Entladungen zu verhindern. Die Maschine ist in einem durchsichtigen Kunststoffgehäuse untergebracht, damit der Bediener während des Betriebs hineinsehen kann, und die Hochspannungskomponenten sind durch physische und elektrische Barrieren von der Steuerungselektronik getrennt. Um sicherzustellen, dass die Maschine nicht eingeschaltet werden kann, wenn es nicht sicher ist, installierten sie Verriegelungen, die den Strom abschalten, wenn das Gehäuse geöffnet wird oder wenn nicht eine zweite Person einen Sicherheitsschalter hält. Sie fügten auch einen langen, isolierten Stab mit einem Metallhaken am Ende hinzu, der es dem Bediener ermöglicht, die verbleibende Energie aus den Kondensatoren aus sicherer Entfernung manuell abzuleiten, ohne jemals das Gehäuse öffnen zu müssen. Diese Maßnahmen wurden entwickelt, um die Risiken der Arbeit mit solch hohen Spannungen und Strömen zu mildern, die in dem kurzen Moment, in dem der Puls abgefeuert wird, über 5.000 Ampere erreichen können.

Um zu beweisen, dass ihre selbstgebaute Maschine tatsächlich funktionierte, mussten die Forscher das von ihr erzeugte Magnetfeld messen, ohne sich auf teure kommerzielle Sensoren zu verlassen. Sie bauten eine kleine, einfache Sensor-Spule und bewegten sie an vielen verschiedenen Positionen unter der Hauptstimulationsspule, um das Magnetfeld abzubilden. Durch die Analyse der Spannungsänderung in ihrem Sensor berechneten sie die Geschwindigkeit, mit der sich das Magnetfeld änderte – ein Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Stärke der Stimulation im Gehirn. Ihre Messungen zeigten, dass das Gerät bei maximaler Leistung eine Änderung der Magnetfeldstärke von etwa 111 Ampere pro Mikrosekunde erzeugte. Als sie diese Daten in eine Computersimulation eines menschlichen Kopfes einspeisten, ergaben die Ergebnisse, dass das Gerät elektrische Felder im Gehirn erzeugen konnte, die stark genug sind, um den durchschnittlichen Schwellenwert zur Aktivierung von Motoneuronen zu überschreiten. Speziell deutete die Simulation darauf hin, dass das Gerät Felder von 159 Volt pro Meter am Hinterkopf und 196 Volt pro Meter an der Seite erzeugen kann, beides Werte, die deutlich über den Ebenen liegen, die typischerweise erforderlich sind, um eine Reaktion im Gehirn auszulösen.

Die Forscher verglichen die Leistung ihres selbstgebauten Geräts mit den Daten einer kommerziellen Maschine, um sicherzustellen, dass ihre Messmethoden genau waren. Sie fanden heraus, dass ihr kostengünstiger Ansatz zur Messung des Magnetfeldes hochzuverlässig war und die Ergebnisse innerhalb einer geringen Fehlermarge mit den gemeldeten Werten der kommerziellen Maschine übereinstimmten. Diese Validierung gibt Vertrauen, dass ihr selbstgebautes Gerät wie beabsichtigt arbeitet. Die Autoren weisen jedoch ausdrücklich darauf hin, dass es sich hierbei um einen Forschungs-Prototyp handelt und nicht um ein für den Einsatz am Menschen zugelassenes Medizinprodukt. Sie betonen, dass die Maschine zwar die notwendige Energie erzeugen kann, aber nicht an Menschen oder Tieren getestet wurde und es ihr an der klinischen Validierung fehlt, die für eine Therapie erforderlich wäre. Das Gerät ist für den Einsatz durch geschulte Forscher bestimmt, die mit Hochspannungselektronik vertraut sind und strikte Sicherheitsprotokolle befolgen können.

Dieses Projekt stellt einen bedeutenden Schritt zur Demokratisierung des Zugangs zu fortschrittlichen neurowissenschaftlichen Werkzeugen dar. Indem sie zeigen, dass ein funktionstüchtiger, leistungsstarker Magnetstimulator für den Preis von ein paar hundert Dollar unter Verwendung zugänglicher Komponenten gebaut werden kann, hat das Team das Tor für mehr Wissenschaftler geöffnet, um Experimente mit Hirnstimulationstechniken durchzuführen. Die Arbeit beweist, dass die Eintrittsbarriere in diesem Bereich nicht nur die Komplexität der Physik ist, sondern weitgehend die Kosten der Ausrüstung. Obwohl das Gerät noch nicht bereit für den klinischen Einsatz ist, bietet es eine leistungsstarke, kostengünstige Plattform für Forscher, um zu untersuchen, wie unterschiedliche Pulsformen und Spulen-Designs das Gehirn beeinflussen, was potenziell zu neuen Erkenntnissen darüber führen kann, wie wir neurologische Erkrankungen verstehen und behandeln. Der Erfolg dieses Baus legt nahe, dass mit sorgfältiger Ingenieurskunst und einer Verpflichtung zur Sicherheit die Werkzeuge der modernen Neurowissenschaften einer viel breiteren Gemeinschaft von Wissenschaftlern zugänglich gemacht werden können.