Sebagian besar dari pembaca Warstek.com disini pasti sudah sering mendengar penyakit Parkinson dan Epilepsi. Sebenarnya, apa sih penyakit Parkinson dan Epilepsi ini?
Penyakit Parkinson dan Epilepsi
Dikutip dari Parkinson’s Disease Handbook American Parkinson Disease Association, Parkinson merupakan penyakit yang disebabkan keadaan neurologis yang tergganggu sehingga menyebabkan gangguan pergerakan dan memengaruhi kemampuan sesorang dalam beraktivitas. Pada penyakit Parkinson terjadi kehilangan banyak neuron atau sel saraf pada beberapa bagian otak, termasuk area yang disebut Substantia Nigra atau bahasa latin dari Substansi Hitam. Disebut sebagai Substansi Hitam karena area tersebut dibawah mikroskop terlihat sangat gelap atau hitam. Neuron pada Substansi Nigra menghasilkan neurotransmitter yang disebut dopamin. Hormon dopamin disini berfungsi untuk mengatur pergerakan. Ketika jumlah sel pada Subtansi Nigra menurun, maka hormon dopamin pada otak juga menurun. Padahal hormon dopamin sangat penting untuk menyokong gerakan normal [1].
Gambar 1. Struktur Kimia Dopamin [2]
Sedangkan penyakit epilepsi dikutip dari Epilepsy Atlas World Health Organization merupakan kelainan medis dan sosial yang ditandai dengan sering terjadinya kejang-kejang. Kejang yang terjadi pada seseorang dapat bersifat idiopatik atau secara spontan tanpa sebab yang jelas dan bersifat simptomik atau memiliki gejala-gejala tertentu. Beberapa penyakit seperti hipokalsemia, meningitis, dan stroke apabila tidak ditangani dengan baik, kejang-kejang dapat terus berkepanjangan dan menyebabkan anoksia atau kondisi otak yang kekurangan oksigen, selanjutnya kekurangan oksigen pada otak akan menyebabkan kerusakan otak yang menjadi penyebab epilepsi [3].
Gambar 2. Ilustrasi Dokter dengan pasien [1]
Penyakit Parkinson dan Epilepsi memang memiliki gejala dan sebab yang berbeda, namun dari kedua penyakit tersebut akhirnya diketahui bahwa gangguan atau kelainan yang menyebabkan penyakit Parkinson dan Epilesi terjadi pada otak.
Neuromodulasi
Dalam perkembangan penyembuhan penyakit Parkinson dan Epilepsi, sebuah perangkat neuromodulasi yang dapat memodulasi saraf dengan cara menstimulus jalur abnormal saraf yang menyebabkan penyakit. Terapi neuromodulasi melakukan stimulasi ke saraf secara spesifik pada otak, tulang belakang atau saraf, dan terapi ini tidak bersifat invasif atau sedikit invasif tergantung pada target yang diterapi [4].
Prosedur terapi neuromodulasi bersifat reversible yang artinya perangkat neuromodulasi tersebut dapat tidak diaktifkan jika diperlukan. Terapi neuromodulasi dapat membantu untuk mengembalikan saraf yang rusak dengan perangkat yang dapat digunakan eksternal atau diimplant [4].
Wireless Neurostimulator
Baru-baru ini, sebuah perangkat berhasil dikembangkan di Universitas California, Barkeley,yang dapat menangkap dan menstimulasi sinyal elektrik pada otak secara simultan, dan berpotensi untuk menyembuhkan penyakit Parkinson dan epilepsi. Perangkat Neurostimulator yang disebut WAND (Wireless Artifact-free Neuromodulation) ini bekerja seperti alat pacu jantung pada otak, memberikan stimulus secara spesifik ke saraf yang membutuhkan.
Gambar 3. Wireless Neurostimulator UC, Barkeley [1]
Percobaan pertama perangkat ini dilakukan pada monyet. WAND melakukan monitoring sinyal elektrik aktifitas otak dan memberikan stimulasi elektris ketika dideteksi adanya gangguan pada saraf otak. Perangkat WAND bekerja secara wireless dan automasi, yang artinya perangkat tersebut menyetel parameter stimulasi sendiri untuk mencegah sinyal yang tidak diinginkan ketika sinyal tersebut diketahui sebagai penyebab tremor atau kejang. Perangkat ini juga dapat merekam aktifitas elektrik pada 128 titik pada otak dan bekerja secara closed-loop atau dapat menstimulasi dan merekam secara bersamaan dan mengatur parameter secara tepat waktu [5].
Gambar 4. Percobaan sistem WAND pada monyet [5].
[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=uTmRY-iv1Ik[/embedyt]
Berbeda dengan sistem open-loop, closed-loop neuromodulasi dapat memberikan estimasi yang akurat dari substansi saraf dan sinyal yang terekam dan secara otamatis mengatur kapan dan bagaimana sebuah stimulasi diberikan ke otak. Dengan desain closed-loop, perangkat WAND dapat bekerja lebih adaptif karena memberikan terapi yang tepat sasaran, mengurangi efek samping, dan memperpanjang umur baterai pada perangkat wireless.
Studi terakhir menunjukkan stimulasi responsive merupakan pilihan yang baik pada pasien epilepsi, selain itu sistem closed-loop pada perangkat WAND dapat memberikan improvisasi stimulasi Deep Brain Stimulation (DBS) pada pasien Parkinson dan pasien penyakit motorik lainnya. Walaupun pada saat ini belum ada perangkat komersil dengan stimulasi DBS closed-loop untuk pasien dengan kelainan motorik dan pengimplementasian sistem tersebut masih dalam investigasi. Pada nyatanya, beberapa percobaan stimulasi DBS berhasil dilakukan dalam durasi singkat menggunakan perangkat yang tidak sepenuhnya diimplan. Untuk melanjutkan penelitian sistem closed-loop pada neuromodulation lebih lanjut, dibutuhkan platform penelitian yang lebih fleksibel untuk melakukan pengetesan dan pengimplementasian sistem closed-loop secara wireless [5]. Berikut adalah video dari Deep Brain Stimulation yang diaplikasikan pada penderita Parkinson
[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=7-NKUbsT6Y0[/embedyt]
Sistem dan Desain WAND
WAND didesain sedemikian rupa agar berfungsi dan dapat diaplikasikan pada lingkungan yang berbeda-beda serta mengimbangi keterbatasan ukuran perangkat dan daya yang digunakan. Integrated Circuit (IC) pada perangkat WAND menggunakan Neuromodulation Integrated Circuit (NMIC) untuk memberikan pulsa stimulasi dengan rentang mulai dari 20uA sampai dengan current yang dibutuhkan DBS yakni 5mA. Selain itu, IC tersebut juga digunakan untuk menangkap sinyal Local Field Potential (LFP) dengan bandwidth sampai dengan 500Hz.
LFP merupakan sinyal yang banyak digunakan dalam aplikasi medis dan pada perangkat ini digunakan sebagai indikator adanya gangguan. Sinyal LFP sangat berguna untuk memahami proses neural dan sangat relevan dengan beberapa studi dasar neuroscience, mulai dari memahami bagaimana saraf dapat mengatur pergerakan dan cara kerja memori pada saraf.
Gambar 4. Integrated Circuit (IC) pada perangkat WAND [1]
Gambar 5. Circuit Elektronik WAND [1]
Walaupun saat ini sudah berkembang circuit elektronik yang mampu membaca sinyal high-channel, kecanggihan suatu circuit elektronik tersebut tidak bisa menoleransi, kadang semakin memperburuk, efek dari artifak stimulasi. High-channel pada perangkat stimulator ini penting karena semakin banyak channel yang digunakan, maka semakin banyak pula titik pengambilan sinyal dan titik stimulus yang diberikan. Sedangkan, artifak stimulasi adalah suatu kondisi sinyal yang tidak diinginkan, bahkan mengganggu dalam proses perekaman atau pengambilan sinyal. Stimulasi elektrik menghasilkan tegangan transien yang besar (artifak langsung), seiring dengan stimulasi current dan charge yang diberikan ke saraf dan beberapa elektroda terdekat. Artifak langsung dapat menyebabkan magnitude tegangan yang besar (dalam skala mV) sehingga menghalangi sinyal saraf (dalam skala uV).
Kemudian, diikuti dengan post-stimulus sinyal tegangan luruh (artifak tidak langsung) yang ditentukan dengan adanya perbedaan fasa stimulasi dan propertis elektroda yang digunakan. Amplifier circuit elektronik konvensional noise-rendah dan daya-rendah sangat sensitif terhadap artifak langsung dan tidak langsung. Sinyal yang dihasilkan akan mengalami saturasi dari kedua artifak tersebut. Pemulihan sinyal dapat berlangsung lama (dalam skala ms) yang menyebabkan data loss setelah pulsa stimulasi. Data loss yang terjadi walaupun dalam skala milisecond tidak diinginkan karena pada saat pemulihan sinyal, perangkat tidak dapat menangkap atau merekam sinyal saraf.
Saturasi sinyal dapat dicegah dengan menaikkan rentang input linear amplifier atau dengan mengurangi komponen sinyal amplitudo yang besar pada artifak. Durasi artifak dan direduksi dengan melakukan discharge secara cepat pada elemen circuit dari sinyal stimulus. Circuit elektronik pada WAND didesain menggunakan NMIC dengan improvisasi stimulasi dan arsitektur penangkapan sinyal yang dapat mencegah artifak dan meminimalisasi efeknya pada circuit.
Dalam konteks pengobatan medis, perangkat WAND dapat dikemas kedap udara dan digunakan sebagai terapi pada stimulasi otak dan secara bersamaan dilakukan monitoring terus-menerus pada respon saraf selama dilakukan terapi. Sebagai contoh, pada pasien penyakit Parkinson diterapi dengan DBS, Swann, dan lainnya, kemudian dari hasil terapi dan monitoring tersebut ditemukan substansi biologi lainnya yang berhubungan dengan diskinesia yang merupakan efek samping dari terapi DBS berupa gerakan tidak terkendali pada lidah, bibir, dan wajah. Sistem closed-loop yang digunakan pada perangkat WAND secara adaptif mampu dimodifikasi pada aplikasi yang dibutuhkan sehingga dapat mengurangi efek samping yang merugikan.
Referensi
[1] Mraz, Stephen. 2019. Neurostimulator “Listens”, then Applies “Curing” Stimulation to the Brain. Diakses dari : https://www.machinedesign.com/community/neurostimulator-listens-then-applies-curing-stimulation-brain pada tanggal 16 Januari 2019
[2] Wikipedia. Dopamin. Diakses dari : https://id.wikipedia.org/wiki/Dopamin pada tanggal 23 Januari 2019
[3] American Parkinson Disease Association. 2017. Parkinson’s Disease Handbook. Amerika : Medtronik
[4] Epilepsy Atlas. 2005. Epilepsy : The Disorder. Amerika : WHO
[5] Zhou, Andy., Santacruz, Samantha R., Johnson, Benjamin C., Alexandrov, George., Moin, Ali., Burghardt, Fred L., Rabaey, Jan M., Carmena, Jose M., Muller, Riky . 2019. WAND: A 128-channel, closed-loop, wireless artifact-free neuromodulation device. USA : Universitas of California, Berkeley
