whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Οι Cyborgs δεν είναι πλέον επιστημονική φαντασία. Το πεδίο των διεπαφών εγκεφάλου-μηχανής (BMI) - που χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια, συχνά εμφυτευμένα στον εγκέφαλο, για τη μετάφραση των νευρωνικών πληροφοριών σε εντολές ικανές να ελέγχουν εξωτερικά συστήματα όπως ένας υπολογιστής ή ένας ρομποτικός βραχίονας - στην πραγματικότητα υπήρχαν εδώ και αρκετό καιρό. Η εταιρεία του επιχειρηματία Elon Musk, Neuralink, στοχεύει δοκιμάστε τα συστήματα BMI τους σε έναν άνθρωπο ασθενή έως το τέλος του 2020.

Μακροπρόθεσμα, οι συσκευές BMI μπορούν να βοηθήσουν στην παρακολούθηση και τη θεραπεία συμπτωμάτων νευρολογικών διαταραχών και στον έλεγχο τεχνητών άκρων. Αλλά θα μπορούσαν επίσης να παρέχουν ένα σχεδιάγραμμα για το σχεδιασμό τεχνητής νοημοσύνης και ακόμη και να επιτρέψουν την άμεση επικοινωνία μεταξύ εγκεφάλου και εγκεφάλου. Ωστόσο, προς το παρόν, η κύρια πρόκληση είναι η ανάπτυξη ΔΜΣ που αποφεύγουν την καταστροφή του εγκεφαλικού ιστού και των κυττάρων κατά την εμφύτευση και τη λειτουργία.

Οι ΔΜΣ υπάρχουν εδώ και πάνω από μια δεκαετία, βοηθώντας άτομα που έχουν χάσει την ικανότητα να ελέγχουν τα άκρα τους, για παράδειγμα. Ωστόσο, τα συμβατικά εμφυτεύματα - συχνά κατασκευασμένα από πυρίτιο - είναι τάξεις μεγέθους πιο δύσκαμπτες από τον πραγματικό εγκεφαλικό ιστό, γεγονός που οδηγεί σε ασταθείς ηχογραφήσεις και ζημιές στον περιβάλλοντα εγκεφαλικό ιστό.

Μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε ανοσολογική απάντηση στο οποίο ο εγκέφαλος απορρίπτει το εμφύτευμα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ανθρώπινος εγκέφαλός μας είναι σαν ένα φρουρούμενο φρούριο και το νευροανοσοποιητικό σύστημα –όπως στρατιώτες σε αυτό το κλειστό φρούριο– θα προστατεύσει τους νευρώνες (εγκεφαλικά κύτταρα) από εισβολείς, όπως παθογόνα ή BMI.

Ευέλικτες συσκευές

Για να αποφευχθούν βλάβες και ανοσολογικές αντιδράσεις, οι ερευνητές επικεντρώνονται όλο και περισσότερο στην ανάπτυξη του λεγόμενου «ευέλικτου ΔΜΣ». Αυτά είναι πολύ πιο μαλακά από τα εμφυτεύματα πυριτίου και παρόμοια με τον πραγματικό εγκεφαλικό ιστό.

Μια γκοφρέτα δεκάδων χιλιάδων εύκαμπτων ηλεκτροδίων, το καθένα πολύ μικρότερο από μια τρίχα. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Για παράδειγμα, η Neuralink έκανε το πρώτο της σχέδιο εύκαμπτα «νήματα» και inserter - μικροσκοπικοί ανιχνευτές που μοιάζουν με νήματα, οι οποίοι είναι πολύ πιο ευέλικτοι από τα προηγούμενα εμφυτεύματα - για τη σύνδεση ενός ανθρώπινου εγκεφάλου απευθείας με έναν υπολογιστή. Αυτά σχεδιάστηκαν για να ελαχιστοποιήσουν την πιθανότητα απόρριψης της ανοσοαπόκρισης του εγκεφάλου στα ηλεκτρόδια μετά την εισαγωγή κατά τη διάρκεια εγκεφαλικής χειρουργικής.

{vembed Y=kPGa_FuGPIc}

Εν τω μεταξύ, ερευνητές από Ομάδα Lieber στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ σχεδίασε πρόσφατα έναν ανιχνευτή mini mesh που μοιάζει με πραγματικούς νευρώνες που ο εγκέφαλος δεν μπορεί να αναγνωρίσει τους απατεώνες. Αυτά τα βιο-εμπνευσμένα ηλεκτρονικά αποτελούνται από ηλεκτρόδια λευκοχρύσου και εξαιρετικά λεπτά χρυσά σύρματα εγκλεισμένα σε ένα πολυμερές με μέγεθος και ευκαμψία παρόμοια με τα κυτταρικά σώματα νευρώνων και τις νευρικές νευρικές ίνες.

Η έρευνα για τα τρωκτικά έχει δείξει ότι κάτι τέτοιο ανιχνευτές που μοιάζουν με νευρώνες μην προκαλεί ανοσοαπόκριση όταν εισάγεται στον εγκέφαλο. Είναι σε θέση να παρακολουθούν τόσο τη λειτουργία όσο και τη μετανάστευση των νευρώνων.

Μετακίνηση σε κελιά

Οι περισσότεροι ΔΜΣ που χρησιμοποιούνται σήμερα λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα εγκεφάλου που έχουν διαρρεύσει έξω από τους νευρώνες. Αν σκεφτούμε το νευρικό σήμα σαν έναν ήχο που παράγεται μέσα σε ένα δωμάτιο, ο τρέχων τρόπος εγγραφής είναι επομένως να ακούτε τον ήχο έξω από το δωμάτιο. Δυστυχώς, η ένταση του σήματος μειώνεται σημαντικά από την επίδραση φιλτραρίσματος του τοιχώματος - των μεμβρανών του νευρώνα.

Για να επιτευχθούν οι πιο ακριβείς λειτουργικές αναγνώσεις προκειμένου να δημιουργηθεί μεγαλύτερος έλεγχος για παράδειγμα τεχνητών άκρων, οι ηλεκτρονικές συσκευές εγγραφής πρέπει να αποκτήσουν άμεση πρόσβαση στο εσωτερικό των νευρώνων. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη συμβατική μέθοδος για αυτήν την ενδοκυτταρική καταγραφή είναι το «ηλεκτρόδιο σφιγκτήρα επιθέματος»: ένας κοίλος γυάλινος σωλήνας γεμάτος με διάλυμα ηλεκτρολύτη και ένα ηλεκτρόδιο καταγραφής που έρχεται σε επαφή με τη μεμβράνη ενός απομονωμένου στοιχείου. Αλλά ένα άκρο πλάτους μικρομέτρου προκαλεί μη αναστρέψιμη βλάβη στα κύτταρα. Επιπλέον, μπορεί να καταγράψει μόνο μερικά κελιά κάθε φορά.

Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, αναπτύξαμε πρόσφατα ένα Τρανζίστορ με τρισδιάστατα τρισδιάστατα nanowire τύπου φουρκέτας και το χρησιμοποίησε για να διαβάσει ενδοκυτταρικές ηλεκτρικές δραστηριότητες από πολλαπλούς νευρώνες. Σημαντικά, μπορέσαμε να το κάνουμε αυτό χωρίς καμία αναγνωρίσιμη κυτταρική βλάβη. Τα νανοσύρματα μας είναι εξαιρετικά λεπτά και εύκαμπτα, και κάμπτονται εύκολα στο σχήμα της φουρκέτας - τα τρανζίστορ έχουν μόνο περίπου 15x15x50 νανόμετρα. Εάν ένας νευρώνας ήταν το μέγεθος ενός δωματίου, αυτά τα τρανζίστορ θα είχαν περίπου το μέγεθος μιας κλειδαριάς πόρτας.

Επικαλυμμένα με μια ουσία που μιμείται την αίσθηση μιας κυτταρικής μεμβράνης, αυτοί οι εξαιρετικά μικροί, εύκαμπτοι, νανοϊβικοί ανιχνευτές μπορούν να διασχίσουν τις κυτταρικές μεμβράνες με ελάχιστη προσπάθεια. Και μπορούν να καταγράψουν ενδοκυτταρική συνομιλία με το ίδιο επίπεδο ακρίβειας με τον μεγαλύτερο ανταγωνιστή τους: ηλεκτρόδια σφιγκτήρα patch.

Είναι σαφές ότι αυτές οι εξελίξεις είναι σημαντικά βήματα προς ακριβή και ασφαλή ΔΜΣ που θα είναι απαραίτητα εάν θέλουμε ποτέ να επιτύχουμε πολύπλοκες εργασίες, όπως επικοινωνία μεταξύ εγκεφάλου και εγκεφάλου.

Μπορεί να ακούγεται λίγο τρομακτικό, αλλά, τελικά, εάν οι γιατροί μας συνεχίσουν να κατανοούν καλύτερα το σώμα μας και να μας βοηθήσουν να θεραπεύσουμε ασθένειες και να ζήσουμε περισσότερο, είναι σημαντικό να συνεχίσουμε να πιέζουμε τα όρια της σύγχρονης επιστήμης για να τους δώσουμε το καλύτερο δυνατό εργαλεία για να κάνουν τις δουλειές τους. Για να είναι εφικτό, είναι αναπόφευκτη μια ελάχιστα επεμβατική διασταύρωση μεταξύ ανθρώπων και μηχανών.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Yunlong Zhao, Λέκτορας Αποθήκευσης Ενέργειας και Βιοηλεκτρονικής, Πανεπιστήμιο Surrey

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.