Dengan 'hidung bionik' ini, mangsa COVID-19 yang terselamat akan berpeluang untuk 'menghidu mawar' semula

Pada suatu hari Ahad pada tahun 2012, Scott Moorehead jatuh ke tanah semasa mengajar anak lelakinya yang berusia 6 tahun bermain papan selaju. "Punggung tengkorak saya mengambil bahagian yang paling teruk," katanya. Dia menghabiskan tiga hari di unit rawatan rapi, di mana doktor merawatnya kerana banyak keretakan tengkorak, pendarahan dalaman yang besar dan kerosakan pada lobus hadapan otaknya.

Selepas berminggu-minggu dan berbulan-bulan, pendengaran Moorehead kembali, sakit kepalanya hilang, begitu juga dengan rasa jengkel dan kekeliruannya, tetapi dia tidak pernah memulihkan deria baunya.

Kemalangan itu memutuskan secara kekal saraf dari hidung Moorehead ke mentol penciumannya di pangkal otaknya. Selain deria bau, dia juga kehilangan deria rasa asasnya. "Rasa datang kebanyakannya daripada bau," jelasnya. “Lidah saya hanya boleh merasakan manis, masin, pedas dan pahit Anda boleh menutup mata saya dan meletakkan 10 perisa aiskrim di hadapan saya dan saya tidak akan tahu perbezaannya: semuanya berasa sedikit manis, kecuali Coklat adalah sedikit. pahit. ”

Moorehead sangat menderita akibat ini: selain rasa makanan, dia juga merindui bau unik orang tersayang. Pada satu ketika, dia gagal menyedari kebocoran gas dan tidak menyedari bahaya sehingga isterinya pulang dan menghubungi polis.

Sakit Moorehead bukan satu perkara yang unik Kehilangan bau boleh disebabkan bukan sahaja oleh kecederaan kepala, tetapi juga oleh pendedahan kepada toksin tertentu dan pelbagai isu perubatan, termasuk tumor, Alzheimer dan penyakit virus, seperti COVID . Deria bau juga biasanya mengalami atrofi dengan usia; dalam kajian 2012 terhadap lebih daripada 1,200 orang dewasa yang telah diuji deria bau mereka, 39 peratus peserta berumur 80 tahun ke atas mengalami disfungsi penciuman.

Kehilangan bau dan rasa telah menjadi simptom utama COVID sejak permulaan wabak. Orang yang mempunyai anosmia yang disebabkan oleh COVID pada masa ini hanya mempunyai tiga pilihan: tunggu dan lihat sama ada perasaan pulih dengan sendirinya, minta ubat steroid untuk mengurangkan keradangan dan berkemungkinan mempercepatkan pemulihan, atau mula menguji semula sesuatu yang mereka dedahkan kepada Bau bau biasa setiap hari untuk mempromosikan pemulihan saraf rhinocerebral. Ubat biasanya berkesan jika pesakit mendapatkan rawatan dan pulih dalam masa beberapa minggu dari permulaan simptom. Tetapi walaupun begitu, campur tangan ini tidak berfungsi untuk semua orang.

Pada April 2020, penyelidik di Klinik Bau dan Rasa VCU telah melancarkan tinjauan nasional terhadap orang dewasa yang didiagnosis dengan COVID untuk menentukan kelaziman dan tempoh simptom berkaitan bau. Mereka mengikuti orang ini dengan kerap, dan Ogos lalu mereka menerbitkan hasil daripada orang dua tahun selepas diagnosis awal mereka. Keputusannya mengejutkan: 38% melaporkan pemulihan penuh deria bau dan rasa mereka, 54% melaporkan pemulihan separa, dan 7.5% melaporkan tiada pemulihan sama sekali. "Ini adalah isu kualiti hidup yang serius," kata Pengarah Klinik VCU Evan Reiter.

Menjana semula deria bau

Ketika ramai penyelidik mengusahakan kaedah biologi, seperti menggunakan sel stem untuk menjana semula reseptor bau dan saraf, Richard Costanzo percaya bahawa implan perkakasan adalah satu-satunya penyelesaian untuk orang ramai. yang telah hilang sepenuhnya deria bau. "Apabila laluan itu benar-benar tidak tersedia, anda perlu menggantikannya dengan teknologi," katanya.

Costanzo, profesor emeritus fisiologi dan biofizik, mengasaskan Pusat Gangguan Bau dan Rasa VCU pada 1980-an, salah satu klinik pertama seumpamanya di negara ini. Selepas bertahun-tahun mengkaji kehilangan bau dan menyiasat kemungkinan penjanaan semula biologi, dia mula bekerja pada penyelesaian perkakasan pada 1990-an.

Beliau telah membangunkan prototaip hidung elektronik: neuroprostetik untuk bau, dengan penderia hidung elektronik menghantar isyaratnya kepada pelbagai elektrod kecil yang diambil daripada implan koklea. Bagi orang yang mengalami masalah pendengaran, implan boleh memberi maklumat tentang bunyi ke dalam telinga dalam dan kemudian ke otak. Implan juga bersaiz sesuai dengan mentol olfaktori di pinggir otak. Jadi, bolehkah ia juga digunakan untuk menyampaikan maklumat tentang bau?

Tidak seperti kebanyakan orang yang mengalami anosmia, Moorehead tidak berputus asa apabila doktor memberitahunya bahawa mereka tidak dapat memulihkan deria bau mereka. Sebagai Ketua Pegawai Eksekutif syarikat runcit telefon mudah alih dengan kedai di 43 negeri, beliau mempunyai sumber untuk melabur dalam penyelidikan jangka panjang. Apabila rakan sekerja memberitahunya tentang kerja di VCU, dia menghubungi dan menawarkan geran penyelidikan. Sejak 2015, Moorehead telah melabur hampir $1 juta dalam penyelidikan. Beliau juga melesenkan teknologi daripada VCU dan melancarkan permulaan yang dipanggil Sensory Restoration Technologies.

Apabila COVID melanda, Moorehead melihat peluang. Walaupun mereka jauh daripada melancarkan produk untuk dipromosikan, dia dengan cepat membina tapak web untuk permulaan. Dia berkata: "Orang ramai kehilangan deria bau. Orang perlu tahu kita wujud

Bagaimana deria bau berfungsi

Bukan sekadar bau, ada!" setara dalam deria lain Neuroprostetik, seperti pendengaran.

Implan koklea ialah neuroteknologi yang paling berjaya setakat ini, dengan lebih daripada 700,000 peranti ditanam di telinga di seluruh dunia. Sementara itu, sudah ada institusi penyelidikan membangunkan implan retina untuk orang buta, tetapi bau dan rasa dianggap sebagai cabaran yang sukar.

Untuk memahami sebabnya, pertama sekali kita perlu memahami kerumitan indah sistem penciuman manusia. Apabila haruman bunga mawar melayang ke dalam saluran hidung anda, molekul bau mengikat neuron reseptor, menghantar isyarat elektrik ke saraf olfaktori. Saraf ini bergerak melalui plat tulang ke mentol olfaktori, struktur saraf kecil di otak depan. Dari situ, maklumat pergi ke amygdala, bahagian otak yang mengawal tindak balas emosi. hippocampus, struktur yang terlibat dalam ingatan dan korteks hadapan, yang mengendalikan pemprosesan kognitif.

Molekul bau yang masuk ke dalam hidung mengikat sel reseptor penciuman, yang menghantar isyarat melalui tulang lamina cribrosa ke mentol penciuman. Dari situ, isyarat dihantar ke otak.

Sambungan saraf yang bercabang inilah sebabnya bau kadangkala melanda dengan kuat, mengingatkan kenangan gembira atau peristiwa traumatik. "Sistem penciuman mempunyai akses kepada bahagian otak yang tidak boleh diakses oleh deria lain," kata Coelho Kepelbagaian sambungan otak juga menunjukkan bahawa merangsang sistem penciuman mungkin mempunyai kegunaan lain, jauh melebihi menghargai makanan atau perasan kebocoran gas: "Ia. mungkin Menjejaskan mood, ingatan dan kognisi ”

Sistem biologi sukar untuk direplikasi atas beberapa sebab. Hidung manusia mempunyai kira-kira 400 jenis reseptor berbeza yang mengesan molekul bau. Reseptor ini bekerjasama untuk membolehkan manusia membezakan jumlah bau yang mengejutkan: kajian 2014 menganggarkan jumlahnya pada 1 trilion. Sehingga kini, adalah tidak praktikal untuk meletakkan 400 penderia pada cip dan memasangkannya pada cermin mata pengguna. Lebih-lebih lagi, penyelidik masih belum memahami sepenuhnya kod penciuman yang merangsang kombinasi tertentu reseptor yang menyebabkan otak merasakan bau. Nasib baik, Costanzo dan Coelho mengenali seseorang yang boleh menyelesaikan kedua-dua masalah.

Kemajuan Penyelidikan dalam Hidung Elektronik dan Rangsangan Otak

Hari ini, hidung elektronik digunakan dalam pelbagai tetapan industri, pejabat dan kediaman – jika anda mempunyai pengesan karbon monoksida biasa di rumah anda, anda Terdapat hidung elektronik yang sangat mudah.

"Penderia gas tradisional adalah berdasarkan semikonduktor seperti oksida logam," jelas Krishna Persaud, penyelidik hidung elektronik terkemuka dan profesor chemoreception di Universiti Manchester di UK. Dia adalah perunding Costanzo dan Coelho. Dalam peranti hidung elektronik yang paling tipikal, beliau berkata, "apabila molekul berinteraksi dengan bahan semikonduktor, rintangan berubah dan anda boleh mengukurnya sejak dua dekad yang lalu, kini saiznya." daripada cip mikro. "Ini menjadikan mereka sangat mudah dalam pakej kecil," katanya. Dalam percubaan awal pasukan VCU, mereka menggunakan penderia luar biasa daripada syarikat Jepun bernama Figaro.

Masalah dengan penderia yang tersedia secara komersial sedemikian, kata Persaud, ialah ia tidak dapat membezakan antara banyak bau yang berbeza. Itulah sebabnya dia telah meneliti bahan baharu, seperti polimer konduktif yang murah untuk dibuat, berkuasa rendah dan boleh digabungkan menjadi tatasusunan untuk memberikan kepekaan kepada berpuluh-puluh bau. Untuk neuroprostesis, "pada dasarnya, beratus-ratus [sensor] boleh dilaksanakan, " kata Persaud.

Produk generasi pertama tidak membenarkan pengguna menghidu beratus-ratus bau yang berbeza. Sebaliknya, pasukan VCU pada asalnya membayangkan termasuk beberapa reseptor untuk bau berkaitan keselamatan, seperti asap dan gas asli, serta beberapa bau yang menyenangkan. Mereka juga boleh menyesuaikan prostetik untuk memberi pengguna aroma yang bermakna kepada mereka: bau roti untuk tukang roti rumah, contohnya, atau bau hutan pain untuk pejalan kaki yang gemar.

Menggabungkan teknologi hidung elektronik ini dengan neuroteknologi terkini adalah cabaran yang sedang dihadapi oleh Costanzo dan Coelho. Semasa mereka bekerja dengan Persaud untuk menguji penderia baharu, mereka juga bekerjasama dengan doktor di Boston mengenai cara terbaik untuk menghantar isyarat ke otak.

Pasukan VCU meletakkan asas melalui eksperimen haiwan. Dalam eksperimen ke atas tikus pada 2016 dan 2018, pasukan itu menunjukkan bahawa menggunakan elektrod untuk secara langsung merangsang bintik-bintik pada permukaan mentol pencium menghasilkan corak aktiviti saraf jauh di dalam mentol yang membawa maklumat ke bahagian lain otak. Penyelidik memanggil corak ini peta bau. Tetapi sementara aktiviti saraf mencadangkan tikus merasakan sesuatu, tikus tidak dapat memberitahu penyelidik apa yang mereka bau.

Pakar Otolaryngologi Eric Holbrook kerap bekerja dengan pesakit yang memerlukan pembedahan dalam rongga sinus. Dia membantu pasukan VCU menjalankan ujian klinikal awal.

Langkah mereka seterusnya ialah merekrut rakan usaha sama yang boleh menjalankan eksperimen serupa dengan sukarelawan manusia. Mereka bermula dengan salah seorang bekas pelajar Costanzo, Holbrook, seorang profesor bersekutu otolaryngology di Harvard Medical School dan ketua Bahagian Mata, Telinga dan Hidung di Massachusetts. Holbrook menghabiskan banyak masanya untuk mengendalikan rongga sinus orang, termasuk rongga etmoid, yang terletak di bawah plat cribriform, struktur tulang yang memisahkan reseptor olfaktori daripada mentol olfaktori.

Holbrook mendapati pada 2018 bahawa meletakkan elektrod pada tulang menghantar impuls elektrik ke mentol olfaktori. Dalam percubaan dengan pesakit terjaga, tiga daripada lima sukarelawan melaporkan persepsi penciuman semasa rangsangan ini, dengan bau yang dilaporkan termasuk "bawang merah," "pengawet dan masam," dan "buah-buahan." Walaupun Holbrook melihat percubaan itu sebagai bukti konsep yang baik untuk sistem implan olfaktori, dia berkata kekonduksian yang lemah melalui tulang adalah faktor pengehad yang ketara. "Jika kita akan menyampaikan kawasan rangsangan yang diskret dan bebas, " katanya, "ia tidak boleh melalui tulang, tetapi perlu berada pada mentol pencium itu sendiri. Meletakkan elektrod pada mentol pencium akan menjadi wilayah baru . "Secara teorinya," kata Coelho, "terdapat banyak cara yang berbeza untuk sampai ke sana Pakar Bedah boleh turun melalui otak, ke sisi melalui soket mata, atau ke atas melalui rongga hidung untuk menembusi plat cribriform dan sampai ke bahagian bawah. mentol. Coelho menjelaskan bahawa pakar bedah hidung sering melakukan pembedahan berisiko rendah yang melibatkan pelanggaran lamina cribriformis. "Apa yang baru bukanlah bagaimana untuk pergi ke sana atau membersihkan selepas itu, " katanya, "tetapi bagaimana untuk menyimpan objek asing di sana tanpa menyebabkan masalah Pesakit epilepsi Dr. Mark Richardson secara sukarela untuk mengambil bahagian dalam penyelidikan neurosains semasa mereka dimasukkan ke hospital, " menggunakan elektrod implan untuk pemantauan otak.

Strategi lain ialah melangkau mentol pencium sepenuhnya dan sebaliknya merangsang bahagian "hiliran" otak yang menerima isyarat daripada mentol pencium. Menyokong pendekatan ini ialah bekas pelajar Holbrook Mark Richardson, ketua pembedahan saraf berfungsi di Massachusetts General Hospital. Richardson sering menyimpan pesakit epilepsi di hospital selama beberapa hari dengan elektrod di otak mereka supaya doktor boleh menentukan bahagian otak yang terlibat dalam sawan mereka dan merancang rawatan pembedahan. Walau bagaimanapun, sementara pesakit ini menunggu, mereka sering direkrut untuk penyelidikan neurosains.

Untuk memudahkan penyelidikan Costanzo dan Coelho, pasukan Richardson meminta pesakit epilepsi di unit pemantauan untuk menghidu sebatang kayu dengan bau seperti pudina, ikan atau pisang. Elektrod dalam otak mereka menunjukkan corak aktiviti saraf "di kawasan yang kami jangkakan dan kawasan yang kami tidak jangkakan, " kata Richardson. Untuk lebih memahami tindak balas otak, pasukannya baru sahaja memulakan satu lagi pusingan percubaan menggunakan alat yang dipanggil olfactometer, yang akan mengeluarkan bau yang lebih tepat masanya.

Apabila penyelidik mengetahui di mana otak menjadi aktif sebagai tindak balas kepada bau pudina, mereka boleh mencuba secara elektrik merangsang kawasan tersebut secara individu dengan harapan dapat menghasilkan sensasi yang sama. "Berbanding dengan teknologi semasa, saya fikir kita lebih dekat untuk mendorong [persepsi bau] melalui rangsangan otak daripada melalui rangsangan mentol olfaktori, " kata Richardson. Beliau menyatakan bahawa sudah ada implan yang diluluskan untuk rangsangan otak dan berkata menggunakan peranti sedemikian akan menjadikan laluan pengawalseliaan lebih mudah. Walau bagaimanapun, sifat persepsi bau yang diedarkan dalam otak memperkenalkan komplikasi baru: pengguna mungkin memerlukan beberapa implan untuk merangsang kawasan yang berbeza. "Kami mungkin perlu melawat tapak berbeza secara berturut-turut atau serentak," katanya.

Jalan ke Pengkomersilan

Di Eropah, EU membiayai projek implan penciumannya sendiri yang dipanggil ROSE (Memulihkan Pengesanan dan Pengenalpastian Bau dalam Kekurangan Bau). Ia dilancarkan pada 2021 dan melibatkan tujuh institusi di seluruh Eropah.

Thomas Hummel, ketua Klinik Bau dan Rasa di TU Dresden dan ahli konsortium, berkata penyelidik ROSE bekerjasama dengan syarikat Perancis Aryballe, yang menghasilkan mikrosensor untuk analisis bau. Rakan kongsi kini sedang bereksperimen dengan merangsang mentol penciuman dan korteks prefrontal. "Semua komponen yang diperlukan untuk peralatan itu sudah ada," katanya. "Kesukaran menyatukan mereka." Hummel menganggarkan bahawa penyelidikan konsortium itu boleh membawa kepada produk komersial dalam tempoh lima hingga 10 tahun. "Ini soal usaha dan pembiayaan," katanya.

Pakar hidung elektronik Persaud berkata juri masih tidak mengetahui sama ada neuroprostesis berdaya maju secara komersial. "Sesetengah orang yang mempunyai anosmia akan melakukan apa sahaja untuk memulihkan perasaan itu kepada mereka," katanya. "Persoalannya ialah sama ada terdapat cukup orang untuk mencipta pasaran untuk peranti ini," katanya, kerana sentiasa ada beberapa risiko yang berkaitan dengan pembedahan dan implan.

Penyelidik VCU telah mengadakan mesyuarat tidak rasmi dengan pengawal selia di Pentadbiran Makanan dan Ubat A.S., dan mereka telah memulakan langkah awal ke arah meluluskan peranti perubatan boleh implan. Tetapi Moorhead, pelabur yang cenderung memberi tumpuan kepada isu praktikal, berkata pasukan impian itu mungkin tidak akan mengambil teknologi itu sehingga ke garisan penamat sistem komersial yang diluluskan oleh FDA. Beliau menyatakan bahawa banyak syarikat implan perubatan sedia ada mempunyai kepakaran ini, seperti syarikat Australia Cochlear, yang menguasai pasaran implan koklea. "Jika saya boleh mendapatkan [projek] ke peringkat di mana ia menarik kepada salah satu syarikat, jika saya boleh mengambil risiko untuk mereka, itu akan menjadi usaha terbaik saya," kata Moorehead.

Memulihkan keupayaan orang untuk menghidu dan merasai adalah matlamat utama, kata Costanzo. Tetapi sebelum itu, dia boleh memberi mereka sesuatu yang lain. Dia sering mendapat panggilan daripada orang yang terdesak yang telah melihat kerjanya. "Mereka sangat bersyukur kerana seseorang sedang mengusahakan penyelesaian," kata Costanzo. "Matlamat saya adalah untuk membawa harapan kepada orang-orang ini."

Sumber:

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic

Atas ialah kandungan terperinci Dengan 'hidung bionik' ini, mangsa COVID-19 yang terselamat akan berpeluang untuk 'menghidu mawar' semula. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!