Hvordan nye implantater hjelper koble hjerner til datamaskiner

teknologi
whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Cyborgs er ikke lenger science fiction. Feltet hjerne-maskin-grensesnitt (BMI) - som bruker elektroder, ofte implantert i hjernen, for å oversette neuronal informasjon til kommandoer som kan kontrollere eksterne systemer som en datamaskin eller robotarm - har faktisk eksistert i lang tid. Gründer Elon Musks selskap, Neuralink, tar sikte på test deres BMI-systemer på en menneskelig pasient innen slutten av 2020.

På lang sikt kan BMI-enheter hjelpe til med å overvåke og behandle symptomer på nevrologiske lidelser og kontrollere kunstige lemmer. Men de kan også tilby en blåkopi for å designe kunstig intelligens og til og med muliggjøre direkte hjerne-til-hjerne-kommunikasjon. For tiden er imidlertid hovedutfordringen å utvikle BMI som unngår å skade hjernevev og celler under implantasjon og operasjon.

BMI har eksistert i over et tiår, og hjalp mennesker som har mistet evnen å kontrollere lemmene deres, for eksempel. Imidlertid er konvensjonelle implantater - ofte laget av silisium - størrelsesordener stivere enn selve hjernevevet, noe som fører til ustabile opptak og skader til omkringliggende hjernevev.

De kan også føre til en immun respons der hjernen avviser implantatet. Dette fordi vår menneskelige hjerne er som en bevoktet festning, og det nevroimmune systemet - som soldater i denne lukkede festningen - vil beskytte nevroner (hjerneceller) fra inntrengere, for eksempel patogener eller BMI.

Fleksible enheter

For å unngå skader og immunresponser, fokuserer forskere i økende grad på utviklingen av såkalt “fleksibel BMI”. Disse er mye mykere enn silisiumimplantater og ligner på faktisk hjernevev.

Hvordan nye implantater hjelper koble hjerner til datamaskinerEn skive på titusenvis av fleksible elektroder, hver mye mindre enn et hår. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

For eksempel laget Neuralink sitt første design fleksible “tråder” og innsetting - bittesmå, trådlignende sonder, som er mye mer fleksible enn tidligere implantater - for å koble en menneskelig hjerne direkte til en datamaskin. Disse ble designet for å minimere sjansen for at hjernens immunrespons avviser elektrodene etter innsetting under hjernekirurgi.


Få det siste fra InnerSelf


I mellomtiden forskere fra Lieber gruppe ved Harvard University har nylig designet en mini-nettsonde som ser så ut som ekte nevroner at hjernen ikke kan identifisere bedriverne. Disse bio-inspirert elektronikk består av platinaelektroder og ultratynne gulltråder innkapslet av en polymer med størrelse og fleksibilitet som ligner nervecelllegemer og nevrale nervefibre.

Forskning på gnagere har vist at slikt nevronlignende sonder ikke fremkall en immunrespons når den settes inn i hjernen. De er i stand til å overvåke både funksjon og migrering av nevroner.

Flytter inn i celler

De fleste BMI-er som brukes i dag, plukker opp elektriske hjernesignaler som er lekket utenfor nevronene. Hvis vi tenker på det nevrale signalet som en lyd som genereres i et rom, er den nåværende måten å spille inn på å lytte til lyden utenfor rommet. Dessverre reduseres intensiteten av signalet kraftig av filtreringseffekten av veggen - nevronmembranene.

For å oppnå den mest nøyaktige funksjonelle avlesningene for å skape større kontroll over for eksempel kunstige lemmer, må elektroniske opptaksapparater få direkte tilgang til det indre av nevroner. Den mest brukte konvensjonelle metoden for denne intracellulære registrering er "patch clamp elektrode": et hult glassrør fylt med en elektrolyttoppløsning og en opptakselektrode brakt i kontakt med membranen til en isolert celle. Men en mikrometerbred spiss forårsaker irreversibel skade på cellene. Dessuten kan den bare registrere noen få celler om gangen.

For å løse disse problemene har vi nylig utviklet en hårnållignende 3D nanotrådstransistorgruppe og brukte den til å lese intracellulære elektriske aktiviteter fra flere nevroner. Det er viktig at vi kunne gjøre dette uten noen identifiserbar celleskade. Nanotrådene våre er ekstremt tynne og fleksible og bøyes lett inn i hårnålens form - transistorene handler bare om 15x15x50 nanometer. Hvis en nevron var på størrelse med et rom, ville disse transistorene være omtrent på størrelse med en dørlås.

Belagt med et stoff som etterligner følelsen av en cellemembran, disse ultra små, fleksible nanotrådsonderne kan krysse cellemembranene med minimal innsats. Og de kan spille inn intracellulært skravling med samme presisjonsnivå som deres største konkurrent: patch-klemmeelektroder.

Det er klart disse fremskrittene er viktige skritt mot nøyaktige og trygge BMI-er som vil være nødvendige hvis vi noen gang skal oppnå komplekse oppgaver som hjerne-til-hjerne-kommunikasjon.

Det høres kanskje litt skummelt ut, men til syvende og sist, hvis legene våre skal fortsette å forstå kroppene våre bedre og hjelpe oss med å behandle sykdommer og leve lenger, er det viktig at vi fortsetter å presse grensene for moderne vitenskap for å gi dem best mulig verktøy for å gjøre jobben sin. For at dette skal være mulig, er et minimalt invasivt kryss mellom mennesker og maskiner uunngåelig.Den Conversation

Om forfatteren

Yunlong Zhao, foreleser i energilagring og bioelektronikk, University of Surrey

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}