Vedci Objavte, ako sa "Hack Brain", bez uchyľovania k chirurgii

Veľa legitímnej vedy - plus veľa sci-fi - diskutuje o spôsoboch, ako „zaseknúť mozog“. Čo to vlastne znamená, väčšinu času - dokonca aj vo fiktívnych príkladoch - zahŕňa operáciu, otvorenie lebky na implantáciu drôtov alebo zariadení fyzicky do mozgu.

Ale to je ťažké, nebezpečné a potenciálne smrtiace. Bolo by múdrejší pracovať s mozgom bez nutnosti otvárať lebky pacientov. Časté sú neurologické poruchy, ktoré postihujú viac ako miliardu ľudí na celom svete, všetkých vekových kategórií, pohlaví a úrovne vzdelania a príjmov. Výskumný tím môjho nervového inžinierstva, ako súčasť širšieho úsilia v oblasti bioinžinierstva, pracuje na pochopení a zmiernení rôznych neurologických dysfunkcií, ako je skleróza multiplex, porucha autistického spektra a Alzheimerova choroba.

Tiež by sa vám mohlo páčiť: Video Show Brain Needle, ktorá je testovaná na ľuďoch

Identifikácia a ovplyvňovanie mozgovej aktivity z vonkajšej strany lebky by mohlo nakoniec umožniť lekárom diagnostikovať a liečiť širokú škálu ochromujúcich ochorení nervového systému a duševných porúch bez invazívnej chirurgie.

Pozri tiež: Obrátenie straty pamäte by mohlo byť možné s využitím „terapeutických molekúl“

Bezdrôtové pripojenia v rámci mozgu

Moja skupina verí, že sme prvý, kto objavil nový spôsob, akým nervové bunky navzájom komunikujú. Nervy sú známe tým, že sa spájajú prostredníctvom fyzických väzieb - alebo čo sa môže nazývať „káblové“ spojenie - v ktorom axóny jedného nervového článku vysielajú elektrické a chemické signály do dendritov susednej bunky.

Náš výskum zistil, že nervové bunky tiež komunikujú bezdrôtovo, pomocou káblovej aktivity na vytvorenie vlastných elektrických polí a snímajú susedné bunky, ktoré vytvárajú. To vytvára možnosť oveľa viac nervových ciest a môže pomôcť vysvetliť, prečo sa rôzne časti mozgu spoja tak rýchlo počas vykonávania zložitých úloh.

Boli sme schopní monitorovať tieto elektrické polia zvonku lebky a efektívne počúvať nervové komunikácie. Dúfame, že nám pomôžu nájsť alternatívne, zdravé spojenia pre nervy poškodené roztrúsenou sklerózou alebo obnoviť rovnováhu nervovej aktivity v dôsledku poruchy autistického spektra, alebo primárne neuróny, ktoré sa spoločne vypália v špecifických modeloch a obnovia dlhodobé spomienky stratené v dôsledku Alzheimerovej choroby,

Konkrétne sme zistili, že keď je izolovaná alebo myelinizovaná nervová vláknina v mozgu aktívna a vysiela signály pozdĺž svojej dĺžky známej ako akčné potenciály, špeciálne oblasti pozdĺž jej dĺžky vytvárajú veľmi malé elektrické pole. Bunkové oblasti, kde sa to deje, nazývané uzly Ranvier, pôsobia ako malé antény, ktoré môžu prenášať a prijímať elektrické signály.

Akékoľvek narušenie dvoch vysoko špecializovaných štruktúr - myelínového plášťa alebo uzla Ranvier - nevedie len k neurologickej dysfunkcii, ale aj k zmene okolitého elektrického poľa.

Počúvanie nervov

Technologická výzva spočíva v presnom zameraní špecifických častí mozgu na počúvanie. Prístroj musí prijímať signály z plôch približne v priemere ľudských vlasov, niekoľko centimetrov hlboko v mozgu.

Jedným zo spôsobov je umiestniť malý počet pružných anténnych náplastí na lebku, aby sa vytvorilo to, čo nazývame „mozgová šošovka“. Porovnaním údajov z niekoľkých náplastí nám umožňuje elektronicky cielene nasmerovať nervy, na ktoré sa má počúvať. Navrhujeme a experimentujeme s metamateriálmi - materiálmi navrhnutými na molekulárnej úrovni - ktoré sú obzvlášť dobré na to, aby slúžili ako vysoko presné antény, ktoré možno naladiť na príjem signálov z veľmi špecifických miest.

Žiadna bolesť, ale potenciálne veľký zisk

Počúvaním v bezdrôtovej komunikácii medzi nervami môžeme identifikovať oblasti mozgu, kde elektrické polia naznačujú, že sú problémy. Podrobné charakteristiky aktivity nervu - alebo nedostatok aktivity - môžu ponúknuť vodítka o tom, aký špecifický problém sa vyskytuje v mozgu. Tieto zistenia by mohli pomôcť diagnostikovať potenciálne zdravotné stavy oveľa ľahšie ako súčasné metódy.

Pozrite sa napríklad na skutočného prípadu jedného pacienta, 38-ročnej ženy, nazývame „Bianca“, u ktorej bola diagnostikovaná roztrúsená skleróza, degeneratívne ochorenie mozgu a miechy, ktoré nemajú žiadny známy liek., Imunitné systémy pacientov s roztrúsenou sklerózou poškodzujú myelínový plášť medzi uzlami Ranvier, čo spôsobuje komunikačné problémy medzi mozgom a zvyškom tela. Toto poškodenie radikálne mení aktivitu v postihnutých nervoch.

Aby sa sledoval priebeh jej ochorenia, Bianca mala spinálne kohútiky, aby zistila, či jej miechová tekutina má vysoké hladiny špecifických protilátok spojených s MS. Má tiež MRI snímky na odhalenie oblastí svojho mozgu, kde je myelín poškodený, a bude čeliť ďalším testom, aby zistila, ako rýchlo informácie prúdia cez jej nervový systém.

Použitie zariadenia na mozgové šošovky by umožnilo lekárom monitorovať mozog Biancy bez bolestivých spinálnych spinov a nepohodlných a časovo náročných MRI a CT vyšetrení. To môže nejaký deň umožniť Bianca sledovať svoj vlastný mozog a posielať údaje jej špecialistovi na hodnotenie.

Terapeutická liečba bez liekov a chirurgie

Okrem toho dúfame, že náš prístup môže viesť k novým terapiám, ktoré sú jednoduchšie aj pre pacientov. V súčasnosti Bianca užíva niekoľko liekov, ktoré prinášajú významné zdravotné riziká a často sa cítia nevoľne a unavene. Je jednou z mnohých, ktorí chcú vyskúšať inú možnosť liečby.

Táto práca plánuje ísť nad rámec identifikácie regiónov svojho mozgu, kde elektrické polia naznačujú nezdravé podmienky. Inšpirovaný správou počítačových sietí a vyspelými digitálnymi sieťami, ktoré smerujú signály okolo oblastí, ktoré sú poškodené alebo prerušené, vyvíjame metódu, pomocou ktorej by náš systém patchov na pokožku hlavy mohol posielať správy aj do mozgu.

Pozri tiež: Rozhranie mozgového počítača dokáže preložiť jednoduché myšlienky do reči

Každé poškodené nervové vlákno je spravidla jeden z tisícov balených do traktu nervových vlákien, kde susedné nervové vlákna sú typicky zdravé. Naše zariadenie by mohlo pomôcť identifikovať miesta s myelínovým poškodením a sledovať tieto nervové vlákna pred bodom poškodenia, aby sa zachytili ich nenarušené signály. Potom by sme použili mozgovú šošovku na prenos komplementárnych elektrických polí do mozgu, posielanie týchto zdravých signálov do oblastí okolo poškodenia myelínu, aby sa podporili susedné nervové vlákna, aby prenášali správy, ktoré poškodené vlákno nemôže mať.

Doteraz sme boli schopní simulovať tento prístup v super-výpočtovom prostredí, kde parametre mozgového nervu poskytovali klinické výskumné laboratóriá. V nasledujúcich mesiacoch postavíme a otestujeme prototyp mozgových šošoviek. Počúvanie do mozgu a komunikácia s ním ponúka fascinujúci nový súbor možností lekárskej diagnostiky a liečby bez chirurgického zákroku.

Tento článok bol pôvodne uverejnený na Konverzácii Salvatora Domenica Morgera. Prečítajte si pôvodný článok.