białyMocca/Shutterstock, CC BY-SA

Cyborgi nie są już science fiction. Od pewnego czasu istnieje już dziedzina interfejsów mózg-maszyna (BMI), które wykorzystują elektrody, często wszczepiane do mózgu, do tłumaczenia informacji neuronowych na polecenia zdolne do kontrolowania systemów zewnętrznych, takich jak komputer lub ramię robota. Neuralink, firma przedsiębiorcy Elona Muska, ma na celu: przetestować ich systemy BMI na ludzkim pacjencie do końca 2020 roku.

W dłuższej perspektywie urządzenia BMI mogą pomóc monitorować i leczyć objawy zaburzeń neurologicznych oraz kontrolować sztuczne kończyny. Ale mogą również zapewnić plan zaprojektowania sztucznej inteligencji, a nawet umożliwić bezpośrednią komunikację mózg-mózg. Jednak na razie głównym wyzwaniem jest opracowanie wskaźników BMI, które pozwolą uniknąć uszkodzenia tkanki mózgowej i komórek podczas implantacji i operacji.

BMI istnieją od ponad dekady, pomagając ludziom, którzy utracili zdolność kontrolować swoje kończyny, na przykład. Jednak konwencjonalne implanty – często wykonane z silikonu – są o rząd wielkości sztywniejsze niż rzeczywista tkanka mózgowa, co prowadzi do niestabilne nagrania i uszkodzenia do otaczającej tkanki mózgowej.

Mogą również prowadzić do pliku odpowiedź immunologiczna w którym mózg odrzuca implant. Dzieje się tak dlatego, że nasz ludzki mózg jest jak strzeżona forteca, a system neuroimmunologiczny – jak żołnierze w tej zamkniętej fortecy – będzie chronił neurony (komórki mózgowe) przed intruzami, takimi jak patogeny czy BMI.

Elastyczne urządzenia

Aby uniknąć uszkodzeń i odpowiedzi immunologicznych, naukowcy coraz częściej koncentrują się na rozwoju tak zwanego „elastycznego BMI”. Są znacznie bardziej miękkie niż implanty silikonowe i podobne do rzeczywistej tkanki mózgowej.

Opłatek złożony z dziesiątek tysięcy elastycznych elektrod, z których każda jest znacznie mniejsza od włosa. Steve'a Jurvetsona/Flickr, CC BY-SA

Na przykład Neuralink stworzył swój pierwszy projekt elastyczne „wątki” i inserter – maleńkie, nitkowate sondy, które są znacznie bardziej elastyczne niż poprzednie implanty – aby połączyć ludzki mózg bezpośrednio z komputerem. Zostały one zaprojektowane tak, aby zminimalizować ryzyko odrzucenia elektrod przez odpowiedź immunologiczną mózgu po wprowadzeniu podczas operacji mózgu.

{vembed Y=kPGa_FuGPIc}

Tymczasem badacze z Grupa Lieber na Uniwersytecie Harvarda zaprojektował niedawno minisondę siatkową, która tak bardzo przypomina prawdziwe neurony, że mózg nie może zidentyfikować oszustów. Te elektronika inspirowana biologią składają się z platynowych elektrod i ultracienkich złotych drutów zamkniętych w polimerze o wielkości i elastyczności podobnej do ciał komórek nerwowych i włókien nerwów nerwowych.

Badania na gryzoniach wykazały, że takie sondy podobne do neuronów nie wywołują odpowiedzi immunologicznej po wprowadzeniu do mózgu. Są w stanie monitorować zarówno funkcję, jak i migrację neuronów.

Przeprowadzka do komórek

Większość stosowanych obecnie BMI odbiera sygnały elektryczne z mózgu, które wyciekają poza neurony. Jeśli pomyślimy o sygnale neuronowym jak o dźwięku generowanym w pomieszczeniu, aktualnym sposobem nagrywania jest słuchanie dźwięku poza pomieszczeniem. Niestety intensywność sygnału jest mocno redukowana przez efekt filtrujący ściany – błon neuronów.

Aby uzyskać najdokładniejsze odczyty funkcjonalne, aby uzyskać większą kontrolę np. sztucznych kończyn, elektroniczne urządzenia rejestrujące muszą uzyskać bezpośredni dostęp do wnętrza neuronów. Najszerzej stosowaną konwencjonalną metodą tego zapisu wewnątrzkomórkowego jest „elektroda typu patch clamp”: pusta szklana rurka wypełniona roztworem elektrolitu i elektroda rejestrująca doprowadzona do kontaktu z błoną izolowanej komórki. Jednak końcówka o szerokości mikrometra powoduje nieodwracalne uszkodzenie komórek. Co więcej, może nagrywać tylko kilka komórek na raz.

Aby rozwiązać te problemy, opracowaliśmy niedawno macierz tranzystorów nanoprzewodowych 3D w kształcie szpilki do włosów i używał go do odczytywania wewnątrzkomórkowych aktywności elektrycznych z wielu neuronów. Co ważne, udało nam się to zrobić bez żadnych możliwych do zidentyfikowania uszkodzeń komórek. Nasze nanodruty są niezwykle cienkie i elastyczne, łatwo zginają się w kształt szpilki do włosów – tranzystory mają tylko około 15x15x50 nanometrów. Gdyby neuron miał wielkość pokoju, te tranzystory byłyby wielkości zamka w drzwiach.

Pokryte substancją, która naśladuje błonę komórkową, te ultramałe, elastyczne sondy z nanoprzewodów mogą przechodzić przez błony komórkowe przy minimalnym wysiłku. I mogą rejestrować wewnątrzkomórkowe drgania z taką samą precyzją, jak ich największy konkurent: elektrody typu patch clamp.

Oczywiście te postępy są ważnymi krokami w kierunku dokładnych i bezpiecznych BMI, które będą konieczne, jeśli kiedykolwiek mamy osiągnąć złożone zadania, takie jak komunikacja mózg-mózg.

Może to zabrzmieć trochę przerażająco, ale ostatecznie, jeśli nasi lekarze mają nadal lepiej rozumieć nasze ciała i pomagać nam w leczeniu chorób i żyć dłużej, ważne jest, abyśmy nadal przesuwali granice współczesnej nauki, aby zapewnić im jak najlepsze narzędzia do wykonywania swojej pracy. Aby było to możliwe, nieuniknione jest minimalnie inwazyjne skrzyżowanie ludzi i maszyn.

O autorze

Yunlong Zhao, Wykładowca Magazynowania Energii i Bioelektroniki, Uniwersytet w Surrey

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.