Modern teknik öppnar vägen in till hjärnan

Sommaren 2020 implanterade det Elon Musk-grundade Neuralink ett chip i grisen Gertrudes hjärna. Två månader senare demonstrerade bolaget hur implantatet kunde registrera hjärnaktivitet från Gertrude.

Under en frågestund i appen Clubhouse uppger Elon Musk nu att Neuralink har implanterat ett trådlöst chip i en apas hjärna.

– Vi har redan en apa med ett trådlöst implantat i sin skalle och små trådar, som kan spela dataspel genom att använda sina tankar. Och han ser helt glad ut. Han ser inte ut som en missnöjd apa, säger han under frågestunden, enligt The Independent.

Elon Musks långsiktiga vision är att utveckla gränssnitt för hjärna-maskin som ska koppla samman människor med datorer. Elektroder skulle påverka signaler i hjärnan för att förhöja mänskliga egenskaper.

Han har bland annat talat om begreppet ”konceptuell telepati”, där det skulle vara möjligt för en individ att tänka på en serie komplexa koncept och överföra dessa tankar direkt till någon annan. Det är en bit kvar dit.

I dag används elektroder i eller utanpå hjärnan framför allt för behandling och rehabilitering. Det är ett aktivt område för forskning och teknikutveckling. 

Var står hjärntekniken i Sverige i dag och vad är nästa steg? För att svara på detta har Ny Teknik pratat med startup-bolaget Flow Neuroscience samt forskarna Jens Schouenborg och Elaine Åstrand.  

Flow Neuroscience: Headset mot depression 

Personer med depression har lägre aktivitet i delar av hjärnans prefrontala kortex, visar studier. Med hjälp av en teknik som kallas transkraniell elektrisk stimulering, tDCS, kan man öka aktiviteten i området. Det kan mildra de negativa symptomen. 

Det här är utgångspunkten för Malmöbaserade Flow Neurosciences produkt. Det är ett headset med tillhörande app som används för behandling av mild till måttlig depression.

– Det är en enorm marknad och det finns många som behöver hjälp. Vi ser oss som ett komplement eller alternativ till medicinering mot depression, säger neurovetaren, elektroingenjören och medgrundaren Erik Rehn till Ny Teknik.

Bolagets egenutvecklade headset liknar ett tjockt diadem. Det har elektroder på vardera sida. Med hjälp av en inbyggd strömregulator skickas svag likström mellan elektroderna, som stimulerar hjärnan. 

Strömstyrkan ligger på två milliampere. För den som bär headsetet ska en behandling därmed inte kännas som mer än ett ”svagt kittlande” eller ”kliande”.

Genom att använda headsetet i en halvtimme fem gånger i veckan de första tre veckorna och därefter en till två gånger i veckan kan personer med depression få mildare symptom.

Flow Neurosciences headset är sedan 2019 godkänd som medicinteknisk produkt i EU och får säljas direkt till konsument. 

–  Det finns en uppsjö av olika tekniker för hjärnstimulering. Den teknik vi använder har fått ett uppsving på senare år just för att den är så pass säker att använda och fungerar för hemmabruk, säger Erik Rehn.

Det vi ser i dag är bara början av utvecklingen av tekniker för hjärnstimulering, menar Erik Rehn. 

–  Vi ser en potential att utveckla mer precisa metoder, som träffar precis rätt ställe i hjärnan, och samtidigt en möjlighet att med teknikens hjälp öka vår förståelse av sjukdomar som depression, säger Erik Rehn.

Flow Neuroscience produkt bygger på icke-invasiv hjärnteknik. Det innebär att man inte behöver operera in något i hjärnan. Invasiva hjärntekniker, som bland annat Neuralink tittar på, öppnar för andra möjligheter. 

–  Det som är svårt med den idén är hur de ska lösa problemen som finns med implantat. De är förenade med stora risker, säger Erik Rehn.

Jens Schouenborg: Utecklar bättre implanterbara elektroder 

Jens Schouenborg är professor i neurofysiologi vid Lunds universitet. Sedan 2006 har han lett arbetet vid universitetets Neuronano Research Center. 

Hans jobb har två olika spår. Det ena handlar om att utveckla teknik för att undersöka hur hjärnan fungerar. Det andra spåret, som sker i samarbete med det egna bolaget Neuronano AB och kliniska forskare, handlar om att utveckla nya, effektiva behandlingar av smärta och neurodegenerativa sjukdomar (alltså sjukdomar som långsamt förtvinar nervsystemet) som parkinson.

I båda fallen är utveckling av biokompatibla, implanterbara elektroder som inte stör nervcellernas normala signalering centralt.

När arbetet vid centret startade 2006 fanns det elektroder för implantering. Men de var också förknippade med stora problem. I djurförsök utlöste elektroderna vävnadsreaktioner som gjorde att komponenterna kapslades in, och vävnad förstördes.

–  Elektrodtekniken var så pass primitiv att många känsliga mekanismer i hjärnan inte gick att studera, berättar Jens Schouenborg.

Det här problemet ska efter 15 år av intensiv forskning och utveckling vara till stor del löst. 

Jens Schouenborg och hans forskargrupp har tagit fram väldigt tunna, flexibla elektroder med ytterst liten påverkan på hjärnvävnaden. De bygger på mikrometertunna ledare av guld eller platina (iridium), med isolering utanpå. 

– Att minimera främmande-kroppreaktioner är en stor sak. Det innebär att vi nu kan registrera aktivitet i en vävnad som är mycket mindre påverkad än tidigare och därmed får vi en mycket mer autentisk situation, förklarar Jens Schouenborg.

Kliniskt kommer elektroderna att användas för exempelvis “Deep brain stimulation”, DBS. Det är en metod som i dag används framför allt vid behandling av parkinson. Den innebär att man opererar elektroder djupt in i hjärnan för att ge symptomlindring när inga läkemedel hjälper.

Att använda hjärnteknik mot smärta betraktar Jens Schouenborg som ett väldigt lovande område.

– Det är många människor som går runt med smärta och som är sjukskrivna på grund av det. Det är förknippat med höga kostnader för samhället. Och samtidigt har vi många fall där det inte är möjligt att påverka smärta i slutet av livet med exempelvis morfin.

Jens Schouenborg förklarar att man genom att använda sig av ett kluster av elektroder kan förfina precisionen i tekniken. När klustret av elektroder har implanterats testar man vilka av elektroderna som är mest effektiva för behandling, och väljer bort de som inte fungerar lika bra. På så sätt minskar också risken för biverkningar rejält.

– Mikroelektroder kan dock bara skicka ut mycket små strömmar. De får inte ha en högre spänning än någon volt. Det innebär också att de måste vara väldigt exakt placerade. Det är en utmaning, men också ett problem som vi i princip har kommit förbi med hjälp av gelatinteknik, säger han.

Elektronerna bäddas in i gelatin som efter implantationen löses upp. Hjärnans enzymer bryter sedan ned gelatinet.

En tidigare utmaning har varit att elektroderna kan flytta på sig. De små rörelser som vår puls, våra andetag och huvudrotation orsakar kan göra att elektroder tappar kontakt med de nervceller de ska knutna till. 

– Du behöver en tillräckligt stabil teknik för att kunna kommunicera med rätt nervceller under lång tid, samtidigt som de rörelser och mikrokrafter som uppstår kan göra vävnad irriterad och inflammerad. Det har varit verkligt stora svårigheter, som vi nu ser lösningar på, säger Jens Schouenborg. 

Det som ligger närmast till hands är att använda implantaten mot parkinson och smärta. Eftersom tekniken kan anpassas till alla slags strukturer i hjärnan kan det också visa sig att den fungerar mot andra sjukdomar som bryter ner nervcellerna, och vara intressant för behandling av till exempel epilepsi och narkolepsi. Men det får framtida studier utvisa.

Även om Jens Schouenborg och Elon Musk verkar ha olika mål med sin hjärnteknik, ser Lundaforskaren på Teslagrundarens bolag Neuralink som möjlig framtida konkurrent.

–  Neuralink har funnits i fyra, fem år och har mycket stora resurser. På sikt kan det därför innebära att vi får en hårdare konkurrens från bolaget, säger Jens Schouenborg.

Samtidigt ser han en nytta med att allt fler intresserar sig för, forskar på och utvecklar hjärnteknik. Det kan leda till betydande förbättringar, bland annat sett till behandlingar av svåra neurologiska sjukdomar. 

– Vi har knappt skrapat på ytan vad gäller vår förståelse av hjärnan. Den teknik som utvecklas nu kan ge en tydlig skjuts framåt. 

Elaine Åstrand: Tekniken kan hjälpa strokepatienter

Vi är långt ifrån Neuralinks vision. Men hjärntekniken har redan gjort det möjligt att träna kognitiva funktioner som uppmärksamhet och arbetsminne. Till exempel kan personer med minnessvårigheter få träning som stärker deras minne. 

Det här är ett område som forskaren Elaine Åstrand vid Mälardalens högskola tittar närmare på. Hon forskar också på rehabilitering av strokepatienter, där målet är att ge dem rörelseförmågan tillbaka. 

– Strokepatienter med de mest allvarliga symptomen är väldigt rörelsehindrade och kan därför ha svårt att genomgå fysisk terapi. Med teknikens hjälp kan de träna sig på att föreställa sig en rörelse och få återkoppling från de motoriska områdena i hjärnan, vilket kan ha en rehabiliterande verkan, förklarar hon för Ny Teknik.

Den här typen av återkoppling kan göra att en patient kan återfå rörelsen i exempelvis en arm, styra en robotarm eller ett exoskelett. 

Den första kritiska delen för att få tekniken att fungera är att läsa av hjärnans aktivitet på ett bra sätt. Det kan man till exempel göra med hjälp av elektroder fästa mot hårbotten eller, där nyttan bedöms överväga riskerna, inopererade elektroder.

– Traditionellt har man bara läst av en region i hjärnan i taget, men egentligen är det ett mönster av aktiviteter som sker i hjärnan och som behöver extraheras. Det är en utmaning, och det behövs mycket mer forskning på området, säger Elaine Åstrand.

Sedan behöver man ha ett sätt att läsa av informationen från den registrerade hjärnaktiviteten. Elaine Åstrand har i sin forskning använt sig av algoritmer för att hitta strukturer i aktiviteten och extrahera karaktäristiska drag. 

Den tredje och sista delen är återkopplingen, som speglar hjärnans aktivitet. Forskarnas algoritmer försöker här läsa av den information som hjärnan ger på ett korrekt sätt. Om användaren eller patienten till exempel tittar på en boll på en skärm och ska försöka få den att flytta på sig, är det detta som tekniken ska förstå.

– Algoritmerna letar efter den relevanta aktiviteten som är kopplad till det man föreställer sig. Detta kan skapa den signal som behövs för att få en hand, eller en robotarm, att öppna sig, säger Elaine Åstrand.

En viktig del är studieobjektets eller patientens egen upplevelse av övningarna.

– Om du inte får den återkoppling som du eftersträvar försöker du hitta strategier för att lösa det problemet. Det blir en neural inlärning. Det är det här vi vill åt, att träna tills du får de förändringar i hjärnaktiviteten som du vill ha och som håller långsiktigt, säger Elaine Åstrand.