Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

Het menselijk brein is een uitgestrekt netwerk van elektrische signalen, en al decennia lang zoeken wetenschappers naar manieren om deze signalen van buiten het schedeldak voorzichtig te beïnvloeden om te begrijpen hoe de geest werkt of om aandoeningen zoals depressie te behandelen. Een krachtige methode hiervoor is transcraniële magnetische stimulatie. Dit werkt door een kortstondig, intens magnetisch veld te creëren dat door de schedel gaat zonder deze aan te raken. Dit magnetische veld induceert op zijn beurt een kleine elektrische stroom in het hersenweefsel eronder, wat specifieke groepen neuronen kan activeren of juist tot rust kan brengen. Hoewel deze techniek een standaardinstrument is geworden in onderzoek en een goedgekeurde therapie voor bepaalde medische aandoeningen, zijn de machines die deze magnetische pulsen genereren doorgaans massief, complex en onbetaalbaar, met kosten die vaak in de tienduizenden dollars lopen. Deze hoge prijs houdt de technologie buiten bereik van veel universiteitslaboratoria, kleinere onderzoeksgroepen en onafhankelijke wetenschappers die wellicht willen experimenteren met nieuwe manieren om het brein te stimuleren.

Een team van onderzoekers aan de McGill University heeft zich erop gericht om deze dynamiek te veranderen door een werkende versie van deze machine te bouwen voor een fractie van de gebruikelijke kosten. Ze hebben een apparaat gecreëerd dat hetzelfde type magnetische puls kan leveren als gebruikt in professionele studies, maar ze hebben het geconstrueerd met behulp van algemene, kant-en-klare onderdelen die iedereen met basisvaardigheden in elektronica kan kopen. De gehele machine, inclusief de gespecialiseerde spoel die tegen het hoofd wordt geplaatst, werd gebouwd voor ongeveer 700 dollar. De onderzoekers hebben de onderdelen niet alleen geassembleerd; ze hebben het apparaat rigoureus getest om te garanderen dat het magnetische velden kan genereren die sterk genoeg zijn om potentieel menselijke hersencellen te activeren. Hun werk demonstreert dat hoogwaardige hersenstimulatie geen miljoenenbudget voor een laboratorium vereist, mits de bouwers beschikken over de juiste technische kennis en respect hebben voor de aanzienlijke veiligheidsrisico's die daarbij komen kijken.

De kern van dit nieuwe apparaat is een simpel maar krachtig concept: een grote hoeveelheid elektrische energie opslaan en deze allemaal tegelijk vrijgeven door een spoel van draad. De onderzoekers gebruikten een bank van condensatoren, wat componenten zijn die elektrische lading vasthouden zoals een batterij water vasthoudt, om energie op te slaan. Ze laadden deze condensatoren op tot een zeer hoge spanning, rond de 1.460 volt, met behulp van een laadcircuit dat is gebouwd vanuit een standaard 24-volt voeding en een speciale transformator. Zodra de condensatoren vol waren, activeerde het team een schakelaar genaamd een thyristor om de opgeslagen energie in een fractie van een seconde vrij te geven. Deze plotselinge stroomstoot stroomde door een op maat gemaakte spoel in de vorm van een figuur-acht, wat een snelle verandering in het magnetische veld veroorzaakte. Deze specifieke vorm en de snelheid van de puls zijn cruciaal, omdat zij bepalen hoe het magnetische veld met het brein interageert. De resulterende puls duurde ongeveer 90 microseconden, een duur die de onderzoekers berekenden effectief zou zijn voor het stimuleren van neuronen.

Veiligheid was een primaire zorg tijdens het hele ontwerpproces, gezien het feit dat het apparaat genoeg energie opslaat om dodelijk te zijn bij onjuist gebruik. Het team bouwde meerdere beschermingslagen om accidentele schokken of ongecontroleerde ontladingen te voorkomen. De machine is ondergebracht in een doorzichtige plastic doos zodat de operator naar binnen kan kijken terwijl deze functioneert, en de componenten met een hoge spanning zijn fysiek en elektrisch gescheiden van de besturingselektronica. Om te garanderen dat de machine niet kan worden ingeschakeld tenzij het veilig is, hebben ze interlocks geïnstalleerd die de stroom onderbreken als de doos wordt geopend of als er niet een tweede persoon aanwezig is om een veiligheidsschakelaar vast te houden. Ze hebben ook een lange, geïsoleerde stok met een metalen haak aan het uiteinde opgenomen, waardoor een operator de resterende energie uit de condensatoren vanaf een veilige afstand handmatig kan afvoeren zonder ooit de doos te hoeven openen. Deze maatregelen waren bedoeld om de risico's te beperken van het werken met dergelijke hoge spanningen en stromen, die tijdens het korte moment dat de puls wordt afgevuurd, meer dan 5.000 ampère kunnen bereiken.

Om te bewijzen dat hun zelfgebouwde machine daadwerkelijk werkte, moesten de onderzoekers het geproduceerde magnetische veld meten zonder te vertrouwen op dure commerciële sensoren. Ze bouwden een kleine, eenvoudige sensorspoel en bewogen deze naar vele verschillende posities onder de hoofdspool om het magnetische veld in kaart te brengen. Door te analyseren hoe de spanning in hun sensor veranderde, berekenden ze de snelheid waarmee het magnetische veld veranderde, een sleutelfactor bij het bepalen van hoe sterk de stimulatie in de hersenen zou zijn. Hun metingen toonden aan dat het apparaat bij maximaal vermogen een veranderingssnelheid van het magnetisch veld van ongeveer 111 ampère per microseconde produceerde. Wanneer ze deze gegevens in een computersimulatie van een menselijk hoofd invoerden, gaven de resultaten aan dat het apparaat elektrische velden in de hersenen kon genereren die sterk genoeg zijn om de gemiddelde drempelwaarde te overschrijden die nodig is om motorische neuronen te activeren. Specifiek suggereerde de simulatie dat het apparaat velden van 159 volt per meter aan de achterkant van het hoofd en 196 volt per meter aan de zijkant van het hoofd kon produceren, beide ruim boven de niveaus die doorgaans vereist zijn om een reactie in de hersenen uit te lokken.

De onderzoekers vergeleken de prestaties van hun zelfgebouwde apparaat met de gegevens van een commerciële machine om te waarborgen dat hun meetmethoden accuraat waren. Ze stelden vast dat hun goedkope benadering voor het meten van het magnetische veld zeer betrouwbaar was, waarbij de resultaten binnen een kleine foutmarge overeenkwamen met de door de commerciële machine gerapporteerde waarden. Deze validatie geeft vertrouwen dat hun zelfgebouwde apparaat functioneert zoals bedoeld. De auteurs merken echter voorzichtig op dat dit een onderzoeksprototype is, en geen medisch apparaat dat goedgekeurd is voor gebruik op mensen. Ze benadrukken dat, hoewel de machine de nodige energie kan genereren, deze niet is getest op mensen of dieren en dat het de klinische validatie mist die vereist is voor therapie. Het apparaat is bedoeld voor gebruik door getrainde onderzoekers die begrijpen hoe ze met hoogspannings-elektronica moeten omgaan en die strikte veiligheidsprotocollen kunnen volgen.

Dit project vertegenwoordigt een belangrijke stap naar de democratisering van de toegang tot geavanceerde neurowetenschappelijke instrumenten. Door aan te tonen dat een functionele, krachtige magnetische stimulator kan worden gebouwd voor de prijs van een paar honderd dollar met toegankelijke componenten, heeft het team de deur geopend voor meer wetenschappers om te experimenteren met technieken voor hersenstimulatie. Het werk bewijst dat de barrière voor het betreden van dit veld niet alleen de complexiteit van de fysica is, maar grotendeels de kosten van de apparatuur. Hoewel het apparaat nog niet klaar is voor klinisch gebruik, biedt het een krachtig, goedkoop platform voor onderzoekers om te bestudelen hoe verschillende pulsvormen en spoelontwerpen het brein beïnvloeden, wat potentieel kan leiden tot nieuwe ontdekkingen in ons begrip van en de behandeling van neurologische aandoeningen. Het succes van deze bouw suggereert dat met zorgvuldige engineering en een toewijding aan veiligheid, de instrumenten van de moderne neurowetenschap binnen het bereik van een veel bredere gemeenschap van wetenschappers kunnen worden gebracht.