Sabrina Jedlicka

NEUROENGINEERING

Sabrina Jedlicka9/20/2010

What is neuroengineering?

Neuroengineering is an interdisciplinary field, combining engineering and computational approaches to problems in basic and clinical neuroscience

Biomedical E i iEngineering

N

BioMEMS

Neuroengineering

Highly Interdisciplinary Field

R h  d  d i  i   i i Research and education in neuroengineeringencompasses the fields of engineering, mathematics  and computer sciencemathematics, and computer science

This is coupled with molecular, cellular, and t   isystems neurosciences

Neurological Disorders Over 600 known neurological disorders Diseases of the CNS and PNS

E il Epilepsy Alzheimer’s Stroke

Diseases that attack the nervous system Infections CancersCancers

Physical Injury

For most, treatment options are extremely limited, p y These disorders range from a loss of cells or tissue, 

to faulty electrical signaling

Primary Goals of NeuroengineeringNeuroengineering

A l   h  f i   f  h     Analyze the function of the nervous system Develop methods to restore damaged 

l l fneurological functions Create artificial neuronal systems

Several Neuroengineering Subfields

Diagnostic Devices and Systems Assistive DevicesAssistive Devices Smart Prosthetics Neural Cell/Tissue EngineeringNeural Cell/Tissue Engineering Brain‐Computer Interfaces Neural Stimulators Neural Stimulators Neural Prosthesis: Implanted Sensors and DevicesDevices Artificial cochlea Artificial retina Hippocampal prosthesis

Neural Prosthetics

Bridging the gap between neuroprostheticdesign, tissue engineering, and neurobiology

http://neurodudes.com/category/medicine-and-other-things-which-observe-and-alter-the-brain/brain-machine-interfaces/neural-prosthetics/Hochberg, 2006, Cyberkinetics Corp

New Devices to Treat Epilepsy

What is Epilepsy? ~1% of industrialized population1% of industrialized population 5‐10% of non‐industrialized population ~60 million people worldwide

Treatments? Surgery Not all patients are candidates Not all patients are candidates

Pharmacological Treatment 2.7 million patients have seizures resistant to pharmacological treatment

Other patients suffer intolerable drug side effects

Glutamate/GABA ImbalanceGlutamate/GABA Imbalance

http://www.farma.ku.dk/index.php/GABA‐Transporter‐Biology/2918/0/

New ApproachTh    N ti l I tit t   f H lth C i   The 2000 National Institutes of Health Curing Epilepsy Conference:

"successfully use a biosensor device (comprised of a  "successfully use a biosensor device (comprised of a biodetector, mini‐pump, microstimulator, or other detector systems) that reliably anticipates or identifies y ) y pseizures, and applies targeted treatment to abort seizures in at least one form of epilepsy."

Closed Loop Approach

New Approaches Being Tested

Implanted drug pumps: These provide temporal and spatial delivery

Implanted Neural Recorder/Stimulator: Record EEG and Attenuate to stop seizures 

The biological approach: The transplantation of g pp pbiomolecule‐releasing cells provides spatial delivery of drugg

The Interface:  One Type of Electrode UsedElectrode Used

JulienModolo, Basabdatta Bhattacharya, Roderick Edwards, Julien Campagnaud, Alexandre Legros and Anne Beuter (2010) Frontiers in Neuroprosthetics

Ongoing Research in El t d  A  T h lElectrode Array Technology

S ll     i i Smaller, more sensitive Algorithm Development for Seizure 

dPrediction Feedback Loop Control Location of Device Implantation Techniquesp q Control of False Positives

Major Interest Area

Controlling host responseLong term stable electrode/neuron interface Long term stable electrode/neuron interface Gliosis

Biomaterial Coatings Cone Electrodes/NGF – Cage ElectrodesCone Electrodes/NGF  Cage Electrodes

Gliosis

Asya Rolls, Ravid Shechter &  Michal Schwartz

Nature Reviews Neuroscience 10, 235‐241 (March 2009)

Gliosis upon Electrode ImplantationImplantation

A Acute Chronic

Jennie B. Leach,  Anil Kumar H. Achyuta, and Shashi K. Murthy (2010)  Frontiers in Neuroengineering.

Some of the molecules Secreted in Response to CNS Secreted in Response to CNS Injury 

http://www.frontiersin.org/journal/FullText.aspx?s=747&name=neuroengineering&ART_DOI=10.3389/neuro.16.018.2009

Gliosis Effects

Jennie B. Leach,  Anil Kumar H. Achyuta, and Shashi K. Murthy (2010)  Frontiers in Neuroengineering.

How to Combat Gliosis?

Bioactive Coatings Cell Adhesion Molecules Anti‐Inflammatory Agents Encapsulated cells Coating the Electrodes Target and draw in NPCs

Jennie B. Leach,  Anil Kumar H. Achyuta, and Shashi K. Murthy (2010)  Frontiers in Neuroengineering.

Cell Adhesion Molecules

NCAM‐1 Integral  Integral membrane proteinp

Inhibits attachment of astrocytes, etc.

Supported N i  Neurite Outgrowth

Webb, et al. Biomaterials 22(10): 1017 (2001).

Anti‐Inflammatory AgentsAnti Inflammatory Agents

I bili d  Immobilized anti‐Inflammatory Inflammatory Tridecapeptide

He, et al. Advanced Materials 19(21): 3529 (2007)

Cell Encapsulation for Neurite GuidanceNeurite Guidance

Schwann Cells were  Schwann Cells were encapsulated within a fibrin gel.  The gel g gwas placed in contact with rat 

i l d dspinal cord coated with fibroblast ‘sieve‐filled’ coating  sieve‐filled  coating  

Neurites penetrated the sievesthe sieves

Schlosshauer et al. Brain Research 903(1‐2): 237 (2001)

Stimulate NPCsNPCs

Wh   i li     When microglia are treated with Interferon γ or Interleukin 4  NPCsInterleukin‐4, NPCsdifferentiate into neurons

Butovsky et al. Molecular and Cellular Neuroscience 31(1): 149 (2006)

How to combat Gliosis?

Mechanical Camofluoge Limit micromotion Transcranial Intracranial

Limiting Micromotion

Stimuli Responsive Polymers that can change stiffness

Capadona et al. Science 319(5868): 1370 (2008)

Transcranial vs. IntracranialIntracranial Tethered 

i l t d  (t  microelectrodes (to the cortical brain tissue) elicit greater tissue) elicit greater response. 

A couple more approaches

Jennie B. Leach,  Anil Kumar H. Achyuta, and Shashi K. Murthy (2010)  Frontiers in Neuroengineering.

How to Combat Gliosis – Need a Multi Tiered Approacha Multi‐Tiered Approach

M dif  S f   f I l Modify Surface of Implant Enhance Neuronal GrowthDi  Mi li /M h /A i Discourage Microglia/Macrophage/AstrocyticResponse

Add Soluble Cues Add Soluble Cues Modify the Mechanics of the Implant Implant Placement

Jennie B. Leach,  Anil Kumar H. Achyuta, and Shashi K. Murthy (2010)  Frontiers in Neuroengineering.

So, in Epilepsy Closed Loop Devices  What is Downstream Devices – What is Downstream of the Electrode?

Drug Pumps Drug‐Producing Active Cells Glutamate AttenuationGlutamate Attenuation Many other approaches

Much more work to be doneMuch more work to be done…

Will  i   ll b i     h  i i   Will require collaboration at the intersection of neuroprosthetics, tissue engineering and neurobiology   neurobiology.