Zacht 3D-geprint implantaat koelt stukje hersenen en dempt epileptische activiteit bij ratten

Onderzoekers uit Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en Ierland hebben een klein, zacht implantaat gemaakt dat een stukje van het hersenoppervlak koelt en tegelijk de hersenactiviteit meet. Bij ratten met een opgewekte epileptische aanval werd de elektrische onrust in de hersenen minder zodra het implantaat begon te koelen. Het onderzoek verscheen in september in het vakblad Advanced Science.

Het werk komt van het Leibniz-Institut für Polymerforschung en de Technische Universität in Dresden, samen met hersenonderzoekers van de University of Sheffield en de University of Limerick. De groep in Dresden wordt geleid door Ivan Minev, die eerder al zachte implantaten voor het ruggenmerg maakte.

Waarom koelen?

Bij focale epilepsie begint een aanval op één plek in de hersenen. Bij een deel van de patiënten helpen medicijnen niet genoeg. Al lang is bekend dat hersenweefsel rustiger wordt als het afkoelt: zenuwcellen geven dan minder snel signalen door. Het idee is daarom om alleen dat ene plekje te koelen, op het moment dat het nodig is.

Een behandeling die dat doet, bestaat nog niet. Een van de problemen: koelen, de warmte afvoeren en de hersenactiviteit meten vroeg tot nu toe losse onderdelen, die samen groot en stijf zijn.

Drie lagen in één zacht pakketje

Het nieuwe implantaat is 10 bij 10 millimeter en 3 millimeter dik, ongeveer zo groot als een vingernagel. De onderzoekers printten het met een 3D-printer uit medische siliconen, een zacht en buigzaam materiaal. Dat past beter bij het zachte hersenweefsel dan een hard implantaat.

Het pakketje heeft drie lagen:

• Onderin zitten vier elektroden van een mengsel van grafiet en siliconen. Die meten de elektrische activiteit van de hersenen.
• In het midden zit een piepklein koelelement van ongeveer 3 bij 2,5 millimeter. Het is een zogeheten Peltier-element: een chipje dat warmte van de ene kant naar de andere kant pompt als er stroom door gaat, net als in een elektrische koelbox.
• Bovenin loopt een kanaaltje met water. Dat voert de warmte af die het koelelement aan de bovenkant kwijt moet. Zonder dat kanaal zou het weefsel rond het implantaat te warm worden.

In een proef met een gel op lichaamstemperatuur (37 graden) koelde het implantaat in ongeveer 5 seconden af naar 23 graden, en het hield die temperatuur tot op een kwart graad vast. De kou reikte 1 tot 3 millimeter diep. Dat is ongeveer de dikte van de hersenschors, de buitenste laag van de menselijke hersenen.

Wat de proeven met ratten lieten zien

Bij negen ratten onder narcose wekten de onderzoekers met een stof (4-aminopyridine) aanvalsachtige activiteit op in de hersenen. Daarna koelde het implantaat telkens een minuut lang, op temperaturen tussen 25 en 15 graden.

Bij elke temperatuur werd de elektrische onrust minder. Het duidelijkst was dat bij de langzame hersengolven: bij 18 graden daalde hun kracht gemiddeld met 48 procent. De verschillen tussen de ratten waren wel groot. Het meten zelf ging even goed als met een gewoon meetsysteem dat in laboratoria wordt gebruikt.

Enkele tientallen seconden na het stoppen van de koeling kwam de activiteit terug. De koeling dempt een aanval dus zolang hij aanstaat, maar stopt hem niet helemaal.

Wat er nog moet gebeuren

Het implantaat zelf is klein, maar het kastje dat het aanstuurt nog niet: dat is 17 bij 8 bij 5 centimeter. Een pacemaker of hersenstimulator die in het lichaam zit, is zo'n 10 tot 20 kubieke centimeter groot, dus minstens dertig keer kleiner. Het systeem gebruikt tijdens het koelen ook bijna 3 watt. Volgens de onderzoekers zou een klein oplaadbaar batterijtje daarmee na ongeveer tien minuten koelen leeg zijn.

De volgende stappen zijn daarom een veel kleinere besturing en een eigen stroomvoorziening, bijvoorbeeld draadloos opladen door de huid heen. Ook een betrouwbare aansluiting, een dichte behuizing en proeven over langere tijd zijn nodig voordat zo'n implantaat bij mensen kan worden geprobeerd.

Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?

Dit onderzoek laat zien hoe techniek en lichaam steeds dichter bij elkaar komen. Een zacht implantaat dat de hersenen tegelijk meet en bijstuurt, is een stap naar implantaten die op het juiste moment zelf ingrijpen, zoals een pacemaker dat bij het hart doet. Doordat het met een 3D-printer wordt gemaakt, kunnen de onderzoekers zulke apparaatjes snel aanpassen en er later andere functies in verwerken. Lukt het om de besturing en de stroomvoorziening klein genoeg te maken, dan kan gericht koelen een nieuwe behandeling worden voor mensen bij wie medicijnen tegen epilepsie niet werken.

Wat is de technologische singulariteit? Lees de uitleg →