FLEX-DBS: a flexible wireless platform for bilateral constant-current deep brain stimulation in freely moving rodents
FLEX-DBS is een lichtgewicht, draadloos, op het hoofd gedragen platform voor knaagdieren dat programmeerbare, bilaterale constante-stroom diepe hersenstimulatie met realtime controle en autonome werking mogelijk maakt, en een flexibel alternatief biedt voor met kabels verbonden systemen ondanks een beperkte batterijduur van ongeveer drie dagen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Diepe hersenstimulatie is een medische behandeling die kleine elektrische pulsen gebruikt om specifieke delen van de hersenen te kalmeren of te activeren. Het is een standaardtherapie geworden voor mensen met ernstige bewegingsstoornissen zoals de ziekte van Parkinson, en onderzoekers testen het steeds vaker voor aandoeningen zoals chronische pijn en depressie. Om precies te begrijpen hoe deze elektrische pulsen de hersenen en het gedrag veranderen, bestuderen wetenschappers de techniek in laboratoriumdieren, meestal muizen. Decennialang hebben deze experimenten vertrouwd op een eenvoudige maar beperkende opstelling: een draad verbindt het dier met een grote machine buiten zijn kooi. Deze tether houdt het dier tegen in het vrij bewegen, wat het moeilijk maakt om natuurlijk gedrag te bestuderen, zoals sociale interactie of hoe een dier zich door zijn omgeving beweegt. Hoewel er enkele draadloze apparaten bestaan, dwingen deze onderzoekers vaak om te kiezen tussen een lange batterijduur en de mogelijkheid om de instellingen van de elektrische pulsen te wijzigen terwijl het experiment loopt.
Een team van onderzoekers aan de Washington University School of Medicine heeft een nieuw apparaat gebouwd genaamd FLEX-DBS om dit probleem op te lossen. Het is een kleine, batterijgestuurde stimulator die op de rug van een muis wordt geplaatst, waardoor het dier volledig vrij kan bewegen. In tegen tegenstelling tot oudere draadloze modellen waarbij de instellingen vast moeten staan voordat het dier wordt geïmplanteerd, laat dit apparaat wetenschappers de sterkte, snelheid en timing van de hersenstimulatie aanpassen via een smartphone-app terwijl de muis in zijn kooi zit. Het apparaat stuurt elektrische signalen naar elektroden die aan beide zijden van de kop in de hersenen zijn geïmplanteerd, waarbij een constante stroom wordt gebruikt die stabiel blijft, zelfs als het hersenweefsel verandert. De onderzoekers ontdekten dat het apparaat ongeveer drie dagen betrouwbaar werkt op één paar piepkleine batterijen, wat lang genoeg is voor veel experimenten, maar kort genoeg zodat de batterijen gemakkelijk kunnen worden vervangen zonder het dier te schaden.
De kern van de uitvinding is een slim elektronisch circuit dat een constante stroom elektriciteit genereert, ongeacht hoeveel weerstand het hersenweefsel biedt. Bij veel oudere systemen zou de elektrische stroom dalen als de verbinding met de hersenen moeilijk werd, waardoor de behandeling inconsistent werd. Het nieuwe apparaat behoudt een precieze stroom, maar de onderzoekers ontdekten dat de hersenen zelf de limiet bepalen voor hoe sterk het signaal kan zijn. Wanneer zij de elektrische weerstand van de elektroden in levende muizen gedurende acht weken maten, zagen zij dat deze sterk varieerde en soms te hoog werd voor het apparaat om een sterk signaal doorheen te duwen. Dit betekent dat hoewel het apparaat theoretisch gezien een zeer sterk signaal kan sturen, de werkelijke sterkte die aan de hersenen wordt geleverd afhangt van de conditie van de elektrode en het omliggende weefsel. De onderzoekers toonden aan dat het apparaat voor hun specifieke elektroden betrouwbaar signalen kon leveren binnen een bereik dat overeenkomt met wat nodig is voor gedragsstudies, maar dat het niet de maximale theoretische kracht in elk dier kon bereiken.
Om te bewijzen dat het apparaat werkte zoals bedoeld, testte het team het op muizen met elektroden geïmplanteerd in een hersengebied dat betrokken is bij pijn en emotie. Ze zetten de stimulatie aan op een hoge instelling en observeerden de dieren in een open arena. De muizen werden aanzienlijk stiller tijdens de stimulatie; ze brachten ongeveer 76 procent van de tijd bewegingsloos door, vergeleken met minder dan de helft van die tijd voordat het apparaat werd aangezet. Dit bevriezingsgedrag suggereert dat het apparaat succesvol een sterk elektrisch signaal naar de hersenen heeft afgegeven. De onderzoekers merkten echter voorzichtig op dat zij zonder een controlegroep die een nepbehandeling kreeg, niet zeker konden zijn of de stilte uitsluitend door de elektriciteit werd veroorzaakt of door het feit dat het dier zich simpelweg aan de testruimte gewend was geraakt na verloop van tijd. Ondanks deze beperking bevestigde het experiment dat het apparaat krachtige stimulatie kon leveren aan een vrij bewegend dier.
Het nieuwe systeem vertegenwoordigt een verschuiving in de manier waarop deze experimenten worden ontworpen. Eerdere draadloze apparaten waren gebouwd om weken of maanden mee te gaan op een enkele lading, maar konden niet worden gewijzigd zodra het experiment begon. Dit nieuwe apparaat offert die extreme batterijduur op om de flexibiliteit te winnen om de instellingen in realtime te wijzigen. Het verbruikt meer stroom omdat het de elektronica wakker houdt en klaar houdt om commando's van een telefoon te ontvangen, maar deze afweging stelt wetenschappers in staat om de behandeling voor elk individueel dier fijn af te stemmen. Het apparaat weegt minder dan vier gram, wat licht genoeg is om de muis niet te belasten, en het maakt gebruik van standaard, goedkope batterijen die kunnen worden vervangen door de eenheid kortstondig los te koppelen. Door draadloze vrijheid te combineren met de mogelijkheid om de stimulatie gaandeweg aan te passen, opent dit hulpmiddel de deur naar meer naturalistische studies naar hoe hersenstimulatie het gedrag, sociale interactie en langdurige veranderingen in de hersenen beïnvloedt.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.