Ontdekking wijst in de richting van neuromorfische technologie als antwoord op wetenschappelijke uitdagingen

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Prof. Tae-Woo Lee (Faculteit Materials Science and Engineering, Seoul National University, Republiek Korea) en Prof. Zhenan Bao (Faculteit Chemical Engineering, Stanford University, VS) is erin geslaagd spierbewegingen te herstellen in verlamde muismodellen door middel van kunstmatige zenuwen uit organisch materiaal. De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het gerenommeerde internationale tijdschrift ‘Nature Biomedical Engineering’.

De zenuwen, die essentieel zijn voor activiteiten in het dagelijks leven en een grote invloed hebben op de levenskwaliteit, kunnen door diverse oorzaken gemakkelijk beschadigd raken, bijvoorbeeld door lichamelijke letsels, genetische factoren, secundaire complicaties of veroudering. Omdat zenuwen na beschadiging slechts moeilijk te reconstrueren zijn, gaan bepaalde of alle lichaamsfuncties bovendien permanent verloren door te zwakke biosignalen. De media maken er bij gelegenheid gewag van met pijnlijke getuigenissen over de dwarslaesie van een of andere bekendheid. De grote uitdaging die zenuwschade voor de medische wereld is en die al sinds het ontstaan van de mensheid bestaat, is ondanks de ontwikkeling van drastische geneeskunde en biologie een moeilijk te leggen wetenschappelijke puzzel gebleven, en er lijken geen duidelijke aanwijzingen in de toekomst dat daar snel vooruitgang in zal worden geboekt. Verscheidene pogingen werden reeds ondernomen om beschadigde zenuwen te behandelen, onder meer langs chirurgische weg en met medicijnen, maar desondanks blijven beschadigde of gedegenereerde zenuwfuncties vrijwel onmogelijk te herstellen.

Van de verschillende methoden voor revalidatie bij patiënten met neurologische schade maakt Functionele Elektrische Stimulatie (FES), die momenteel actief wordt toegepast in de klinische wereld, gebruik van computergestuurde signalen. Hierbij wordt elektrische stimulatie toegepast op spieren die bij patiënten met neuropathie niet meer willekeurig te controleren zijn, zodat spiercontractie wordt opgewekt, wat resulteert in functioneel bruikbare bewegingen in het biologische lichaam, ook al zijn deze beperkt tot een specifieke ruimte. Deze gangbare aanpak heeft echter de beperking dat patiënten er niet langdurig gebruik van kunnen maken in hun dagelijks leven, omdat er complexe digitale circuits en computers aan te pas komen voor de signaalverwerking bij stimulering van de spieren, een proces dat veel energie vergt terwijl de biocompatibiliteit gering is.

Om dat probleem op te lossen is het onderzoeksteam erin geslaagd de pootbeweging van muizen alleen met kunstmatige zenuwen te besturen zonder nood is aan een complexe en logge externe computer, enkel en alleen door gebruik te maken van een uitstrekbaar, laagvermogen organisch neurormorfisch nano-instrument dat de structuur en functie van biologische zenuwvezels nabootst. De uitstrekbare kunstmatige zenuw bestaat uit een treksensor die een proprioceptor simuleert die spierbewegingen detecteert, een kunstmatige synaps gemaakt van organische materialen die een biologische synaps simuleert, en een hydrogelelektrode voor het overbrengen van signalen naar de beenspieren.

De onderzoekers pasten de beweging van de muizenpoten en de contractiekracht van de spieren aan volgens de activeringsfrequentie van de actiepotentiaal die aan de kunstmatige synaps werd doorgegeven, volgens een principe dat vergelijkbaar is met dat van de biologische zenuw. De kunstmatige synaps zorgt trouwens ook voor soepelere en natuurlijkere beenbewegingen dan de traditionele FES.

Bovendien detecteert de kunstmatige proprioceptor de beenbeweging van de muis en geeft real-time feedback aan de kunstmatige synaps om spierschade door overmatige beenbeweging te voorkomen.

De onderzoekers slaagden erin een verlamde muis een bal te laten trappen of te laten lopen tot snel te laten rennen in een looprad. Bovendien toonde het onderzoeksteam aan welke de toekomstige toepassingsmogelijkheden kunnen worden van kunstmatige zenuwen voor vrijwillige beweging, zoals vooraf opgenomen signalen van de motorische cortex van bewegende dieren verzamelen en de poten van muizen bewegen via kunstmatige synapsen.

De onderzoekers ontdekten een nieuwe toepassingsmogelijkheid op het gebied van neuromorfische technologie, die op steeds meer belangstelling en bijval kan rekenen als computerapparatuur van de volgende generatie die in staat is de werking van een biologisch neuraal netwerk na te bootsen. De onderzoekers maakten hard dat het neuromorfische gebied niet alleen in de informatica zal worden aangewend, maar ook in tal van wetenschapsgebieden zoals biomedical engineering en biotechnologie.

Prof. Tae-Woo Lee verklaarde: "Neurale schade wordt nog steeds beschouwd als een grote wetenschappelijke uitdaging; dat was al in het verleden zo en dat is het nog steeds tot op de dag van vandaag, ondanks de opmerkelijke vooruitgang in de geneeskunde. Zonder een nieuwe doorbraak zal het ook in de toekomst een moeilijk op te lossen probleem blijven. Dit onderzoek biedt een nieuwe doorbraak in het overwinnen van zenuwschade via engineering met behulp van neuromorfische technologie, en niet langs een biomedische weg”, zo benadrukt deze wetenschapper het belang van de ontdekking. En hij voegt nog toe: “Zenuwschade overwinnen dankzij engineering zal nieuwe wegen openen om de levenskwaliteit te verbeteren van patiënten met aan zenuwschade gerelateerde ziektes en aandoeningen.”

Prof. Zhenan Bao wees op het potentieel van de studie met de volgende woorden: “Door de ontwikkeling van rekbare kunstzenuwen voor patiënten met zenuwbeschadiging heeft deze studie de grondslag gelegd voor patiëntvriendelijke, praktisch bruikbare draagbare neurale protheses, waarbij wordt afgestapt van de bestaande vormfactor.” Hierdoor deed deze onderzoekster de verwachting rijzen dat “de brontechnologie van de rekbare kunstzenuw zal kunnen worden gebruikt voor verschillende medisch draagbare technologieën.”

Het onderzoeksteam verklaarde zich bereid de studie in de toekomst ook voor andere klinische toepassingen dan primaten en knaagdieren zoals muizen uit te voeren. Het opent deuren naar nieuwe oplossingen en strategieën voor het aanpakken van zenuwschade bij de mens, zoals in het geval van dwarslaesie, perifere zenuwbeschadiging en neurologische aandoeningen zoals ALS, Parkinson en de ziekte van Huntington.

Vertaling: Petra Ghysens
Bron: Seoul National University