BiyolojiTıp

Sinirsel İmplantlar Nasıl Çalışır?

Yazan: Emily Watz

Çeviren: Mert Günçiner

Düzenleyen: Çağla Ayaz

Özet: Sinirsel implantlar; derin beyin uyarımında, vagus siniri uyarımında ve zihinle kontrol edilen protezlerde kullanılır. Günümüzde birçok kullanım alanı olan bu implantların birçok çeşidi ve bambaşka çalışma ilkeleri var.

Parkinson hastası birinin röntgenleri beyne yerleştirilen derin beyin uyarıcısının elektrotlarını gösteriyor. Bu “beyin pili” hastalığın motor belirtilerini tedavi etmek için elektriksel uyarılar yayar. (Kaynak: ZEPHYR/Science Source)

Kulağa bilim kurgu gibi gelse de yıllardır bir insanın düşüncelerini okuyabilmek ya da düzenleyebilmek bir sinirsel implantla mümkündü. Sinirsel implantlar hâlâ hastalıkların tedavisinde, sakatlık sonrası vücut rehabilitasyonunda, hafıza güçlendirmede, protez uzuvların iletişiminde ve diğer birçok alanda kullanılıyor.

ABD Savunma Bakanlığı ve ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri (U.S. National Institutes of Health, NIH) yüzlerce milyon dolarlık fonu bu sektöre ayırdı. Bu konuyla ilgili birbirinden bağımsız araştırma makaleleri en ünlü dergilerde neredeyse her hafta yayımlanmakta.

Burada sinirsel implantların çeşitlerini, nasıl çalıştıklarını inceleyecek ve bazı örnekler sunarak bu cihazların neler yapabileceğine bakacağız.

Sinirsel İmplant Nedir?

Sinirsel implant, vücut içerisine yerleştirilmiş ve nöronlarla etkileşime giren bir cihazdır.

Nöronlar, elektrik diliyle iletişim kuran hücrelerdir. Mors kodunda olduğu gibi belli başlı örüntülerle elektriksel uyarılar yayarlar. İmplant, vücut içerisine bir ameliyat veya damar yoluyla yerleştirilmiş insan yapımı bir cihazdır.

Bir nöron harekete geçirildiğinde elektrot tarafından kaydedilebilen bir elektriksel uyarı yayar. (Kaynak: Spencer Sutton/Science Source)

Sinirsel implant; vücuda yerleştirilen, nöronları içeren dokularla temasa geçen ve bu nöronlarla bir şekilde etkileşime giren, basit anlamda bir çeşit elektrot olan bir cihazdır.

Bu cihazlarla, araştırmacıların sağlıklı sinirsel devrelerinin iletişim örüntülerini gözlemleyebileceği doğal sinir etkinliğini kaydedebilmek mümkün. Ayrıca sinirsel implantlar, nöronlara elektrik darbeleri yollayarak doğal atımları geçersiz kılıp nöronların farklı bir şekilde iletişim kurmasını sağlayabilir.

Başka bir deyişle, bilim insanları sinirsel implantlar sayesinde sinir sisteminin içine sızabilir. İster nöromodülasyon, elektroeczacılık[1] ya da biyoelektronik deyin, sinirsel implantları içeren tıbbi müdahalelerin son derece etkili tıbbi gereçler olma potansiyeli var.

Sinir sisteminin işlevlerini düşünün, şu birkaçından bahsedeceksek: düşünmeyi, görmeyi, duymayı, hissetmeyi, hareket etmeyi ve idrar yapışınızı kontrol eder. Ayrıca organ işlevleri ve vücudun iltihap, solunum, kalp damar ve bağışıklık sistemiyle ilgili bazı işlemler gibi bazı istemsiz gerçekleştirilen işleri de kontrol eder.

NIH’de bir sinirbilimci olan ve SPARC’ta kuruluşun çevresel sinir uyarımı fon programını idame ettiren Gene Civillico şöyle diyor: “Nasıl yapılabileceğini biliyor olsaydık sinir sisteminin yaptığı her şey elektriksel olarak aktif bir müdahale ile yapılabilir veya iyileştirilebilirdi.”

Sinirsel İmplantlar Nasıl Kullanılıyor?

Sinirsel implantların en bilindik klinik kullanımlarından biri derin beyin uyarımı ya da DBS (deep brain stimulation) denilen bir tedavidir. Bu terapide beynin derinliklerine cerrahi yolla yerleştirilen elektrotlarla belirli yapılar elektriksel olarak uyarılarak beyin bazlı çeşitli bozuklukların belirtilerinin etkisinin azaltılması amaçlanır.

Medtronic’in izniyle yeniden basıldı. Medtronic’in DBS sistemi günümüzde Parkinson hastalığının hareket belirtilerinin tedavisinde yaygın olarak kullanılıyor.

ABD Gıda ve İlaç Dairesi (U.S Food and Drug Administration, FDA) DBS kullanımını 1997 yılında temel titreme[2] için onaylamıştı. Bu zamandan beri FDA ve diğer küresel düzenleyiciler DBS’yi Parkinson hastalığı, distoni, kulak çınlaması, epilepsi, obsesif kompulsif bozukluk ve nöropatik ağrı için onayladı. DBS aynı zamanda Tourette sendromu ve depresyon gibi psikiyatrik bozuklukların tedavisinde kullanılmak için araştırılıyor. Dünya çapında 150 binden fazla kişinin DBS implantına sahip olduğu tahmin ediliyor.

Araştırmacılar aynı zamanda vagus sinirini sinirsel implantlar kullanarak manipüle edebilmek için çok emek harcadılar. Vagus siniri çoğu ana organımızı beyin sapına bağlar ve araştırmacılar bu iletişim otobanına sızarak kalp yetmezliğini, felci, romatoid artriti, Crohn hastalığını, epilepsiyi, tip 2 diyabeti, obeziteyi, depresyonu, migreni ve diğer rahatsızlıkları tedavi etmeye çabalıyor.

2018 yılında omurilik yaralanmaları sebebiyle felç olan hastalar omurga uyarımı yardımıyla tekrar yürüyebildi.

Sinirsel implantları içeren en duygusal deneylerden bazıları da epidural uyarımı olarak da bilinen omurilik uyarımı sırasında gerçekleşmişti. Bu tedavi vücudunun alt bölgelerinde felç olan bir avuç insanın omurilik yaralanmasına maruz kaldıktan sonra ilk defa hareket etmesine, ayakta durmasına ve hatta yürümesine olanak sağladı.

Belki de hiçbir nöromodülasyon araştırması zihinle kontrol edilen protezler kadar kamunun dikkatini çekemedi. Bu sistemler, ampütelere düşüncelerini kullanarak ilkel yollarla robotik ellerini, kollarını ve bacaklarını hareket ettirme imkânı sunar. Bu işlem beyne veya ampütasyonun yukarısındaki uzuvda bir sinirsel implantla gerçekleştirilebilir. Bu robotik uzuvlardan bazıları ampütasyon olan bölgenin biraz yukarısını uyararak kullanıcıya nereye dokunduğunu belirten duyusal bir geri bildirim sağlayabilir.

BrainGate araştırma ekibi sinirsel implantlar kullanarak kuadripleji hastası insanların bilgisayar imleçlerini ve robot kollarını kontrol edebilmelerine olanak sağladı. (Kaynak: BrainGate.org)

Bir de bilim kurgu gibi duran şeyler var. Araştırmacılar, beyin yapılarını hassas şekilde uyararak belirli görevler için insanların hafıza kabiliyetlerini başarıyla geliştirdiler. Beyin implantına sahip kuadripleji[3] hastaları bilgisayar kullanıp düşünceleriyle kelime yazabildiler. Bir kişinin sadece beyin etkinliğine bakarak ruh halini belirleyebilen bir algoritma var. Göz ile beyin arasındaki iletişimi düzelten implantları birkaç şirket başarıyla pazara sundu. Elon Musk da şirketi Neuralink ile beyinlerimizi yapay zekâ ile eşleştirmeyi hedeflediğini söylüyor.

Sinirsel İmplantlar İçin Sırada Ne Var?

Herhangi bir implantın girişimselliği onun kullanımını kısıtlıyor. Bir kişinin ciddi bir tıbbi ihtiyacı olmadığı sürece beyin veya omurga cerrahisine başvurulması kolay kolay gerekçelendirilemez. Bu yüzden mühendisler sürekli, dokular üzerinde daha az etki bırakıp vücudun derinliklerine inebilecek cihazları icat ediyorlar.

ABD Ulusal Ruh Sağlığı Enstitüsünde nöromodülasyon ve nörouyarım programlarının program başkanı olan David McMullen şöyle diyor: “Mühendisler sürekli olarak teknik olanın sınırlarını zorluyor.” ve şöyle ekliyor: “Her şey cerrahi yükü azaltıp implantın kronik yapısını artırabilmek ve beyinde daha geniş alan kaplayabilecek ufak elektrotları elde etmekle ilgili.”

Mühendisler; toz büyüklüğündeki beyin implantlarını, sinirlere bir asmaya tırmanır gibi tırmanabilen elektrotları, nanoelektronik iplik gibi esnek malzemelerden yapılmış elektrotları, beyne kan damarları yoluyla ulaşabilen ve elektriksel etkinliği kaydedebilen stent benzeri elektrotları diğer adıyla da “stentrotları”, silikon nanotellerden yapılan ve zerk edilebilir elektronik ağları, vücuda bir sıvı olarak enjekte edildikten sonra kendini sertleştirerek şeker benzeri bir yapıya bürünebilen elektrotları ve daha fazlasını yapmayı başardı.

“Stentrotlar” beyne kan damarları yoluyla yerleştirilebilir ve açık beyin ameliyatı gerekliliğini ortadan kaldırabilir.

Nöromodülasyon, deri üzerine veya yakınına yerleştirilen manyetik bobinler aracılığıyla girişimsel olmayacak şekilde de gerçekleştirilebilir.        Bu yöntemin bazı durumlarda etkili olduğu kanıtlanmış olsa da şu ana kadar implantlar kadar tesirli ya da özgül bir yapıda değil.

Fakat bu yenilikçi cihazlar bizi sadece bir yere kadar götürebilir. NIH’den Civillico şöyle diyor: “Nöromodülasyondaki sıkıntıların çoğunun teknik konularda olduğu hakkında yanlış bir kanı var. Yani sanki zihinle kontrol edilen cihazların yapılmamış olmasının tek sebebi kimsenin yeterince esnek bir elektrot yapmamış olması gibi.”

Civillico, araştırmacıların hâlâ sinirsel devrelerin fizyolojisi konusunda temel bir kavrayışa sahip olması gerektiğini söylüyor. Nöronların nasıl iletişim kurduğunu gösteren ve bu devrelerin beyin ve vücutta nasıl etkilerinin olduğunu belirten haritalara ihtiyaçları var. Bu haritalar olmadan en yenilikçi implantlar bile karanlığa elektriksel uyarıları etkili bir şekilde fırlatmaktan öteye gidemiyor.


[1] İng: Electroceutical. Türkçeye ilk olarak Gelecek Bilimde tarafından katılan bir kelime.

[2] Bir tür hastalık.

[3] İki kolun ve iki bacağın felci.

Via
https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/what-is-neural-implant-neuromodulation-brain-implants-electroceuticals-neuralink-definition-examples

Mert Günçiner

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Elektrik Elektronik Mühendisliği öğrencisi, bilimsever.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button