Jag ska bli doktor! Igen.

Nu ligger det till så här då va, att jag ska bli riktig doktor på fredag, när jag försvarar min avhandling. Jag hade knappt hunnit spika upp den förrän min handledare upptäckte att den faktiskt riktigt bra populärvetenskapliga sammanfattning jag hade skrivit inte hade kommit med, för jag är helt enkelt inte så värst bra på saker. Så, utifall att någon är intresserad av en crash course i neuronala implantat och gränsytor så tänkte jag bjuda på texten som aldrig gick i tryck. Den som verkligen känner sig manad är välkommen till Belfragesalen på BMC klockan nio på fredag. Jag kommer prata engelska och allt.

Enjoy!

Att mäta nervcellers aktivitet i hjärnan faller in i den kategori av sysselsättningar som i princip är enkla men i praktiken är mycket besvärliga. I princip handlar det bara om att mäta den elektriska spänningen mellan punkt A och punkt B i hjärnan. Nervcellernas sätt att kommunicera - aktionspotentialerna – har en amplitud på ungefär en tiondels volt och den sammanlagda aktiviteten av kalciumkanalerna i nervcellernas dendritutskott kan mätas i tiotals millivolt. Detta är spänningar av en storleksordning som är klart mätbara med en multimeter man kan köpa för några hundralappar på de flesta köpcenter. Den här avhandlingen handlar om en väldigt enkel och samtidigt väldigt besvärlig sak: Att bygga en voltmeter som är tillräckligt känslig för att registrera nervcellsaktivitet i en råttas hjärna, tillräckligt liten för att implanteras i den utan att hjärnan skadas och tillräckligt hållbar för att kunna göra detta under en längre tid.

I början av 1840-talet fick en universitetsstudent i Berlin, Emil du Bois-Reymond, i uppgift av sin lärare att försöka replikera ett experiment som den italienske fysiologen Carlo Matteucci utfört på grodlår ett par år tidigare. I detta hade italienaren visat att grodans muskler genererade en mätbar ström när den skadades och att de kunde användas som ett slags spänningsmätare om man kopplade en elektrod till grodans lårmuskel. Ett problem med denna ”rheoskopiska groda” var att Matteucci bara kunde mäta de allra största spänningarna i grodlåret, eftersom hans mätapparatur genererade spänningar som dränkte enskilda nerv- och muskelcellers elektriska aktivitet. du Bois-Reymond löste detta genom att ställa galvanostaten som användes för att mäta spänningarna i grodan på ett filterpapper dränkt i koksalt som han sedan också lade grodan på. Genom att jorda grodans nervvävnad mot mätapparaturen lyckades han bli de förste som mätte en aktionspotential, den korta elektriska impuls som enskilda nervceller använder för att kommunicera med varandra.

du Bois-Reymonds innovation att jorda vävnaden mot mätapparaturen tog bort den enskilt största bruskällan som fanns vid 1800-talets mitt. Idag tillkommer störningar från ett otal andra spänningskällor, vilket i praktiken är det den ovan nämnda multimetern antagligen skulle plocka upp istället för nervcellsaktivitet om man försökte sig på det föreslagna experimentet utan att skärma av det. Ska man mäta nervcellsaktivitet från ett vaket djur som springer omkring och beter sig så är filterpapper ett dåligt materialval till sin jordelektrod. I det expanderande fält som kallas Brain-Machine Interfaces (förkortad BMI:s) leder man typiskt någon form av kablage genom ett försöksdjurs hud till ett (numer oftast stort) antal implanterade mätelektroder, med något slags integrerad förstärkarapparatur i eller i nära anslutning till djuret. Idag är det i praktiken oftast utseendet på den elektrod man använder som sätter gränsen för vad man kan mäta. En stor mätpunkt med låg elektrisk impedans plockar upp elektrisk aktivitet från ett relativt stort område med ett stort antal nervceller, vilket gör att man kan mäta den sammanlagda aktiviteten hos ett stort antal neuron. En mindre elektrod med högre impedans kommer plocka upp nervcellsaktivitet från ett mindre område med högre upplösning, vilket är bra om man är intresserad av enskilda neuron. Denna sorts elektrod kommer också mäta allt annat med högre upplösning, vilket i praktiken gör hög impedans synonymt med mer brus i förhållande till signal, om man inte hittar på något betydligt bättre än du Bois-Reymonds blöta filterpapper för att skärma av experimentet. Denna avvägning mellan hög upplösning av enskilda cellers signaler och mycket brus å ena sidan och låg upplösning av många celler men mindre brus å andra sidan kan liknas med bländarinställningen på en kamera: Med en vidöppen bländare behövs inte så mycket ljus, men större delen av bilden kommer vara suddig på grund av ett litet skärpedjup. En mer sluten bländare ökar skärpedjupet, men ställer högre krav på omgivande belysning.

Elektroderna i de olika prototyper vi skapat har genomgående relativt höga impedanser. Under optimala förhållanden har detta gett oss väldigt fina registreringar av enskilda celler. Men detta är inte ett implantat som är avsett för optimala förhållanden och tidiga prototyper mätte därför oftast allt annat än nervcellsaktivitet. En stor del av arbetet på elektroderna har därför bestått av att minska impedansen för att öka chanserna att plocka upp nervcellers aktivitet i våra mätningar. För att göra detta måste man öka ytan på den kontakt elektroden har med vävnaden den mäter ifrån. Samtidigt vill vi mäta från en så liten punkt som möjligt för att kunna urskilja enskilda neuron från varandra. För att få en stor yta samlad på en liten punkt har vi belagt mätelektroderna med platina som bildar en fraktalformad beläggning. Detta sätt att samla en stor yta på en liten plats är vanlig i kroppen, där till exempel tarmar och lungor lyckas klämma in enorma ytor på liten plats. Den slutgiltiga versionen av implantatet har tretton mätelektroder med relativt låg impedans, som kan mäta både aktionspotentialer från enskilda celler och fältpotentialer från lokala nervcellspopulationer.

Nästa fråga är implantatets biokompatibilitet, det vill säga hur vävnadsvänligt det är. Detta är det område där vi tror att dagens BMI:s har störst problem och därmed också utvecklingspotential. För att kunna mäta nervcellsaktivitet under lång tid under någorlunda naturliga omständigheter är det viktigt att implantatet påverkar hjärnvävnaden så lite som möjligt. Små implantat är generellt sett bättre än större, vilket hänger samman med inte bara hur stort trauma implantationen  ger upphov till  utan också  hur mycket yta som finns för kroppens celler att reagera mot samt hur stor mekanisk belastning på omgivningen implantatets rörelser i förhållande till kroppen ger upphov till. Ett mycket stort arbete har därför lagts på att göra implantatet så litet som möjligt – bara någon tiondel så tjockt som ett hårstrå. Huruvida den mekaniska belastningen från rörelser verkligen påverkar vävnadsreaktionen har dock varit osäkert, även om många inom fältet antagit att så varit fallet. I en studie visar vi för första gången att det är just implantatets rörelser i vävnaden som ger upphov till en del av inflammationen som omger det. Genom att implantera polymernålar som är flexibla antingen i eller vinkelrätt mot hjärnans huvudsakliga rörelseriktning i skallen kunde vi se att de implantat som kunde följa hjärnans rörelser omgärdades av färre inflammatoriska celler. Framför allt så såg vi också att de implantat som bäddats in i ett tunt lager gelatin för att underlätta implantationen hade fler överlevande nervceller i sin närhet. Exakt vad detta beror på vet vi inte ännu, men tänkbara förklaringar är att gelatinet stoppar lokala blödningar eller lindrar skjuvkrafterna under implantationen. Genom att göra ett mycket litet implantat som är flexibelt och förankrat i vävnaden har vi därför kunnat minska de skadliga vävnadsreaktioner som plågar[J1]  alla som försöker registrera hjärnaktivitet under lång tid.

Så långt framstår det alltså som om alla problem med nervcellsregistreringar kan lösas genom miniatyrisering och inbäddning i lämpligt gelbildande material. Detta gäller dock inte hållbarhet. Väldigt små implantat, som vi tror är nödvändiga för att kunna registrera fysiologiska signaler i hjärnan framgångsrikt, är också väldigt ömtåliga. De bryts lätt av, skadas lättare av vatten och kemikalier och är svårare att hantera. För att ett implantat av denna storlek ska bli praktiskt användbart behöver dessa problem lösas. Till denna avhandling har därför mycket arbete lagts på att testa lödningar, utveckla implantationstekniker och felsöka kontakter, jordningar och andra svaga punkter i konstruktionen.

För att undersöka implantatets förmåga att mäta hjärnaktivitet under fysiologiska omständigheter, det vill säga under så normala omständigheter som möjligt, studerades [J2] den sensoriska hjärnbarkens reaktion på smärta och lätt beröring, för att sedan se hur denna reaktion förändras under mild hudinflammation.Studien visar att smärtstimulering av det inflammerade hudområdet och området omedelbart intill ökar signalfrekvensen i lokala nervceller i hjärnbarken. Samtidigt ger både beröring och smärtstimulering ökad aktiviteten i hjärnbarkens sensoriska bark. Att beröring ger upphov till högre aktivitet efter hudinflammation skulle kunna motsvara den sensitisering som ofta ses i närheten av ett inflammerat hudområde. . Resultaten från smärtförsöket demonstrerar att vår elektroddesign lämpar sig för studier av grundläggande fysiologiska mekanismer under mer naturliga omständigheter än vad som varit möjligt tidigare. Flera frågor kvarstår, framför allt kring vilka faktorer som begränsar förmågan hos elektroder liknande vår att registrera aktivitet från enskilda, identifierbara nervceller under lång tid, vilket förtjänar att studeras systematiskt på samma sätt som flexibilitet och inbäddning i en gelatinmatrix studerats i denna avhandling.


2 comments:

  1. Very nice summary of Emil du Bois-Reymond's work. I'm glad to see you carrying on in his tradition.

    For more on EdBR, see

    https://www.academia.edu/2280700/Emil_du_Bois-Reymond_Neuroscience_Self_and_Society_in_Nineteenth-Century_Germany

    ReplyDelete