Alat Neurostimulator yang Bekerja Secara Wireless Berpotensi Untuk Menyembuhkan Penyakit Epilepsi dan Parkinson

Bagikan Artikel ini di:

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].

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

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

Bagikan Artikel ini di:

Zinc Ion Battery: Flexible Battery Composed By Carbon Yarn

Bagikan Artikel ini di:

Flexible electronic devices are becoming increasingly needed nowadays. Especially to support for products such as sports equipment, pressure sensors, military uniforms and medical devices that can be attached to the body. The challenge that must be faced is how to fabricate electronic devices that are very flexible, durable, and can save energy despite the change of shape.

Previous research conducted by a team from Columbia University to create prototype lithium ion battery that resembles flexible human spine. This prototype managed to turn on an LED light and smart watch . When the battery is bent or twisted, the resulting voltage value is not affected by the shape change. Read also:  Human Spine Inspires the Birth of a Flexible Lithium Ion Battery

The development of a flexible energy storage unit is continuously made to obtain a high energy density despite a battery shift. In March 2018, researchers from City University of Hong Kong, Shenzhen University, Harbin Institute of Technology and Tsinghua University have made a breakthrough in making flexible batteries.

The research team used zinc and MnO 2 and Polyacrylamide (PAM) electrolytes . Zinc (Zn) and MnO 2 materials are the most widely used primary battery materials in the world [1] . ABC / Alkaline battery or so-called zinc carbon battery is a primary (non-rechargeable) battery that uses zinc as anode, carbon as cathode and MnO 2as electrolyte. The Zn-MnO 2 battery is selected because it is cheap, environmentally friendly, high specific capacitance and easy to fabricate. The researchers used Carbon Nanotubes (CNTs) or simple languages ​​of carbon nanotubes as substrates for the attachment of zinc (Zn) and MnO[2] .

Figure 1. (a) Zn-MnO 2 / Zinc Ion Battery (ZIB) fabrication scheme (b) Manufacture of Zn / CNT (anode) and MnO 2 / CNT (cathode) electrodes [3]

Making Zinc Ion Battery (ZIB) begins with superimposing Zinc and MnO 2 to CNT. Zinc coating to CNT uses electodeposition method while coating MnO 2 to CNT using Dip-Coating method . The purpose of CNT use is to increase strength and robustness when there is a change in shape. PAM electrolytes are made from acrylamide monomers with hydrogen bonds [3] . The last stage of PAM electrolyte manufacture is to soak PAM in a mixture of ZnSO 4 and MnSO 4 solutions . After that, the already-coated CNTs Zinc and MnO 2then wrapped with a PAM electrolyte on an elastic fiber that acts as a current collector . The principle of a zinc ion battery is the same as a lithium ion battery but on an ion zinc battery, a zinc ion that will move from the anode to the cathode through an electrolyte.

Figure 2. (a) Stretching zinc ion batteries up to 3000% (b) ionized zinc batteries at bended condition (c) ion zinc batteries cut into 4 parts [3]

The results of the zinc ion battery test showed amazing results. When stretched to 3000%, the PAM electrolyte ionic conductivity value decreased slightly from 17.3 x 10 -3 S / cm to 16.5 x 10 -3 S / cm [3] . Under bended conditions, the zinc ion battery can still turn on the digital watch . Even when cut into 4 parts, the zinc ion battery can still turn on the digital watch. The ion zinc battery also produces high induced capacitance of 302.1 mAh / g and an energy density of 53.8 Wh / L [3] . This battery also has other advantages besides the flexibility problem that is waterproof ( waterproof). In addition, the zinc ion battery is tested to power 100 cm 2electroluminescent panels of pandas. The zinc ion battery is arranged in series and also tested on the condition of the panel is bent. The researchers hope that zinc ion batteries can be applied to various fields, especially in the textile field. Textile products can be coated with zinc ion batteries because the coating technique can follow woven or woven patterns. The other most important thing is the rechargeable ion battery zinc.

Figure 3. Trial zinc ion battery test at 100 cm electroluminescent panel [3]

Reference

[1] American Chemical Society. 2018. Knitting Electronics with Yarn Batteries . Retrieved from: https://techxplore.com/news/2018-03-electronics-yarn-batteries.html on April 1, 2018

[2] Motivans, E. 2018. Yarn-Like Battery Can Be Knit Into Clothing . Retrieved from: https://www.zmescience.com/research/inventions/yarn-like-battery-can-knit-clothing/ on April 1, 2018

[3] Li, H., Liu, Z., Liang, G., Huang, Y., Huang, Y., Zhu, M., Pei, Z., Xue Q., Tang, Z., Wang, Y ., Li, B., and Zhi, C. 2018. Waterproof and Tailorable Elastic Rechargeable Yarn Zinc Ion Batteries by Cross-Linked Polyacrylamide Electrolyte . ACS Nano, DOI: 10.1021 / acsnano.7b09003

Bagikan Artikel ini di:

Reveals The Cockroach Milk Content That Will Become Super Food In The Future

Bagikan Artikel ini di:

Cockroaches are insects that are easy to find in everyday life.A�Cockroaches are present in almost all parts of the world, except in the polar regions.

Classified in theA�BlattodeaA�ordoA�,A�cockroaches have an incomplete metamorphosis (Hemimetabola) because it is only through threeA�stadiaA�processesA�(stage of development) and does not pass through the pupa / cocoon phase.A�The three processes are egg stage, nymph stage, and adult stages that can be distinguished between male and female.A�Egg Roach Stage takes 30 – 40 days to hatch.A�In addition to breeding by laying eggs, there are several types of cockroaches that breed with childbirthA�1A�.

Stadia process (developmental level) Cockroaches

Circulating information from international scientists related to the nutritional content in milk cockroaches.A�The information has been in circulation since 2004 with the publication of a scientific paper entitled “A�Evolution of a novel function: nutritive milk in the viviparous cockroach, Diploptera punctata”A�A�in the journalA�Evolution and DevelopmentA�(Q1)A�1A�.

Basically cockroaches consist of approximately 3,500 species species.A�Five species of cockroaches commonly found in the home areA�Periplaneta americana, Blattela germanica, Blattaorientalis, Supella langipalpa,A�A�andA�A�Diploptera punctataA�.A�Cockroaches ofA�Diploptera punctataA�breed with childbirth and have milk containing protein-dense crystals to breastfeed their childrenA�2.3A�.A�The animal has no nipple, milk cockroaches can not be milked like cow’s milk, but processed into a kind of yeast.A�CatsA�ofA�Diploptera punctataA�speciesA�can be easily found in Australia, Myanmar, China, Fiji, Hawaii and India.

Diploptera punctata ModeratingA�Banana Fruit

Research continues, high nutritional content in cockroach milk is also confirmed by the team of scientistsA�Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine India (inStem)A�.A�A�In his scientific paper entitled “A�Structure of a heterogeneous, glycosylated, lipid-bound, in vivo-grown protein crystal at atomic resolution from the viviparous cockroach Diploptera punctataA�”, inStem analyzes and predicts that cockroachA�diploptera punctatamilk isA�suitable forA�superfoodA�orA�superfoodA�in the future.A�SuperfoodA�is a type of food that contains complete nutrition and is very good for consumption.A�This is due toA�A�diploptera punctataA�has milk containingA�protein-denseA�crystalsA�.A�The crystalsA�contained in milk cockroaches dA�iploptera punctataA�contain fat, sugar, amino acids / protein and other nutrientsA�four times moreA�than cow milk nutritionA�4A�.A�

Cockroach milk of cockroachA�A�diploptera punctataA�A�that tinge from cockroach intestineA�5

Not only a source of calories and nutrients, crystal milk protein cockroaches are alsoA�time releasedA�.A�This means that when proteins are digested, crystals release more proteinA�6A�.A�It is advisable to conduct further research and a series of trials to find out if these cockroaches are safe for human consumption for long periods of time.A�How is Warstek’s Companion not interested in researching it?

Reference:

1. Williford, A., Stay, B. and Bhattacharya, D., 2004. Evolution of a novel function: nutritive milk in the viviparous cockroach, Diploptera punctata.A�Evolution & development, 6 (2), pp.67-77.
2.A�Rica Erviana, 1017021046A�A�(2014)A�A�POTENSI TEST OF FRUIT LEATHER (Lansium domesticum) TO THE AMERICAN COCONUT MORTALITY (Periplaneta americana) ADULT.A�A�Faculty of Mipa, UNIVERSITY LAMPUNG.
3A�.A�A�Liputan6.com.A�Indian scientist: Cockroach Milk is More Nutritious from Cow’s MilkA�.A�Retrieved on April 8, 2018.
4. Banerjee, S., Coussens, NP, Gallat, FX, Sathyanarayanan, N., Srikanth, J., Yagi, KJ, Gray, JS, Tobe, SS, Stay, B., Chavas, LM and Ramaswamy, S. , 2016. Structure of a heterogeneous, glycosylated, lipid-bound, in vivo-grown protein crystal at atomic resolution from the viviparous cockroach Diploptera punctata.A�IUCrJ, 3 (4), pp.282-293.
5. Instem.res.in.A�Solving the structure of insect milk proteinsA�.A�Retrieved on April 8, 2018.
6. Detik.com.A�Cockroach Milk Proved to High Nutrition and Can Be Superfood FutureA�A�.A�Retrieved on April 8, 2018.

Bagikan Artikel ini di: