Kunstledematen besturen door een Italiaans implantaat in je brein

Niemand weet natuurlijk wat er werkelijk in iemands hoofd omgaat. Dat zou binnenkort wel eens anders kunnen zijn. Want de Italiaanse start-up Corticale heeft een technologie ontwikkeld waarmee de bio-elektrische activiteit van neurale cellen kan worden geregistreerd. Met deze techniek kunnen artsen min of meer direct zien wat er in iemands brein gebeurt. De toepassingsmogelijkheden voeren echter nog veel verder. In de nabije toekomst kan deze techniek helpen om neurale interfaces tussen mens en robot te creëren. Deze interfaces zijn dan in staat zijn elektronische of robotachtige apparaten, zoals kunstledematen of exoskeletten, te besturen.

De start-up die werd opgericht binnen het Italiaanse Instituut voor Technologie (IIT), heeft een technologie ontwikkeld die bekend staat als SiNAPS: Simultaneous Neural Recording Active Pixel Sensor technology. In een piepklein, implanteerbaar apparaatje volgen en registreren honderden sensoren wat er in een specifiek deel van de hersenen gebeurt.

Na jaren van onderzoek aan het IIT, staat de technologie op het punt op de markt te worden gebracht. Fabio Boi, Gian Nicola Angotzi, en Luca Berdondini zijn de onderzoekers achter het project. De ondernemer Giuseppe Santella werd voorzitter van de raad van bestuur het bedrijf nadat hij er 2 miljoen euro in had geïnvesteerd.

Technische kloof

Hersenonderzoek door middel van het meten van de elektrische activiteit in de hersenen bestaat al lang. “We zagen echter een technologische kloof. Want hoewel er al intra-corticale elektroden bestonden, waren er maar een paar die tientallen neuronen tegelijk konden monitoren. Dat was niet genoeg om te begrijpen hoe de hersenen werkten. Onmiddellijke feedback over wat er aan de hand was, kon op die manier niet worden verkregen”, vertelde Gian Nicola Angotzi, wetenschappelijk directeur van Corticale, aan Innovation Origins.

“Ons doel is te begrijpen hoe de hersenen onder normale omstandigheden werken en hoe ze werken wanneer ze door ziekte worden aangetast. We willen uitzoeken hoe we ziektes kunnen behandelen en hoe we verloren functionaliteiten kunnen terugwinnen”, voegt Angotzi eraan toe.

De tests die op dierenhersenen zijn uitgevoerd, hebben veelbelovende resultaten opgeleverd. Het bedrijf wil zijn technologie tegen eind 2021 beschikbaar stellen aan neuro-elektronicabedrijven en onderzoekscentra. In de komende jaren zal SiNAPS ook beschikbaar zijn voor ziekenhuizen om de menselijke hersenen te bestuderen.

Opnamepunten

De laatste ontwikkelingen in de micro-elektronica hebben het mogelijk gemaakt een apparaat van 30 x 30 micron (het duizendste deel van een millimeter) vol sensoren te maken. Binnenin bevinden zich honderden hoge-resolutie opnamepunten. De kleine afmetingen van de elementaire schakeling kunnen een trauma in het orgaan omhullen. Het apparaat heeft ook de hoogste dichtheid van elektroden-arrays en de kleinste hoeveelheid bedrading die momenteel op de markt verkrijgbaar is. De warmte-afgifte was – naast de afmetingen – het andere belangrijke aandachtspunt. Het verwarmen van levend weefsel leidt namelijk in het brein tot problemen. “Onze hersenen werken niet goed als we koorts hebben,” merkt Angotzi op.

Bovendien optimaliseert elke eenheid het gebruik van energie, aangezien het apparaat niet alle energie tegelijk gebruikt. Hoewel alle sensoren tegelijkertijd activiteit registreren, verbruikt elk circuit slechts 6 microwatt per uur. Elk apparaat is ook in staat om energie te hergebruiken.

Na jaren van onderzoek heeft de Corticale-technologie een evenwicht kunnen vinden door een apparaat te maken dat de omvang van het bestreken hersengebied verkleint zonder het gevaar van oververhitting. Op deze manier presteert het beter dan zijn concurrenten, omdat het meer gegevens van meer neurale plaatsen krijgt.

Combineren

Een ander kenmerk van SiNAPS is de modulariteit. In feite kunnen meerdere sondes tegelijk worden gecombineerd. “Toen we samenwerkten met een lab in München, vroegen ze ons een sonde te maken die de hippocampus kon bestuderen. We slaagden erin om in twee weken een lay-out met 4 naalden te ontwerpen, te produceren en te valideren. Onze concurrenten zijn niet in staat om de lay-out om te schakelen zoals wij dat doen”, zegt Angotzi.

De technologie van Corticale heeft ook minder voorbereidingstijd nodig. “We kregen de kans om de laboratoria van een van onze concurrenten te bezoeken. In ongeveer een uur tijd slaagden we erin ons apparaat zo op te stellen dat het klaar was om te testen. Dat stelde ons in staat ons apparaat in verschillende laboratoria te valideren”, legt Angotzi uit.

Visie

Vanaf het begin heeft het IIT-team één doel voor ogen gehad. “Ons doel was om een nuttige technologie te creëren. Daarom wilden we specifieke interessegebieden vinden door samen te werken met onderzoeksgroepen en biomedische bedrijven”, legt Angotzi uit. Het project ging van start dankzij financiering van het IIT. Vervolgens kreeg het onderzoek de steun van het Brain Initiative NIH fonds uit de VS. Het Italiaanse team maakte deel uit van een programma gericht op de ontwikkeling van nieuwe optroden voor elektrofysiologie en plaats-specifieke stimulatie.

Als gevolg daarvan konden Angotzi en de andere onderzoekers van het IIT samenwerken met verschillende internationale instellingen, zoals Harvard en Newcastle University. Na validatie van de technologie in muizen-, ratten- en apenhersenen, is de volgende stap het menselijk brein.

“We willen op korte termijn beginnen met het testen van SiNAPS in menselijke hersenen”, stelt Angotzi. “We willen onze technologie graag in verschillende ziekenhuizen testen.”

Stimulatie

Ondanks de bemoedigende feedback is er altijd ruimte voor verbetering. “Het mooiste zou zijn als we een apparaat kunnen maken dat zowel de hersenen kan monitoren als stimuleren. Met andere woorden, een apparaat zijn dat in staat is om veel neurale cellen op te nemen en er tegelijkertijd stimuli naartoe te sturen”, zegt Angotzi.

Corticale neemt voor het tweede jaar op rij deel aan de conferentie Society for Neuroscience. De bijeenkomst – die in november in de VS plaatsvindt – is wereldwijd een van de belangrijkste op het gebied van hersenonderzoek. Het Italiaanse team had al zijn onderzoek gepresenteerd tijdens de editie van 2020. Sindsdien hebben verschillende bedrijven op het gebied van neurowetenschappelijke apparatuur belangstelling getoond voor SiNAPS.

Ook interessant: Zo kunnen operatierobots de wachtlijsten verkorten