• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Länka hjärnor till datorer:Hur nya implantat hjälper oss att uppnå detta mål

    Kredit:whiteMocca/Shutterstock, CC BY-SA

    Cyborgs är inte längre science fiction. Området för hjärn-maskin-gränssnitt (BMI) – som använder elektroder, ofta implanteras i hjärnan, att översätta neuronal information till kommandon som kan styra externa system som en dator eller robotarm – har faktiskt funnits ett tag. Entreprenören Elon Musks företag, Neuralänk, siktar på att testa sina BMI-system på en mänsklig patient i slutet av 2020.

    I längden, BMI-enheter kan hjälpa till att övervaka och behandla symtom på neurologiska störningar och kontrollera konstgjorda lemmar. Men de kan också tillhandahålla en plan för att designa artificiell intelligens och till och med möjliggöra direkt hjärna-till-hjärna-kommunikation. Dock, för närvarande, den största utmaningen är att utveckla BMI som undviker att skada hjärnvävnad och celler under implantation och operation.

    BMI har funnits i över ett decennium, hjälpa människor som har förlorat förmågan att kontrollera sina lemmar, till exempel. Dock, konventionella implantat – ofta gjorda av kisel – är storleksordningar styvare än den faktiska hjärnvävnaden, vilket leder till instabila inspelningar och skador på omgivande hjärnvävnad.

    De kan också leda till ett immunsvar där hjärnan stöter bort implantatet. Detta beror på att vår mänskliga hjärna är som en bevakad fästning, och det neuroimmuna systemet – som soldater i denna slutna fästning – kommer att skydda neuroner (hjärnceller) från inkräktare, som patogener eller BMI.

    Flexibla enheter

    För att undvika skador och immunsvar, forskare fokuserar alltmer på utvecklingen av så kallat "flexibelt BMI". Dessa är mycket mjukare än kiselimplantat och liknar faktisk hjärnvävnad.

    En oblat med tiotusentals flexibla elektroder, var och en mycket mindre än ett hårstrå. Kredit:Steve Jurvetson/Flickr, CC BY-SA

    Till exempel, Neuralink tillverkade sina första designade flexibla "trådar" och instickare – liten, trådliknande sonder, som är mycket mer flexibla än tidigare implantat – för att länka en mänsklig hjärna direkt till en dator. Dessa designades för att minimera risken för att hjärnans immunsvar stöter bort elektroderna efter insättning under hjärnkirurgi.

    Under tiden, forskare från Lieber-gruppen vid Harvard University designade nyligen en mini-mesh-sond som ser så mycket ut som riktiga nervceller att hjärnan inte kan identifiera bedragarna. Den här bioinspirerade elektroniken består av platinaelektroder och ultratunna guldtrådar inkapslade av en polymer med storlek och flexibilitet som liknar neuroncellkroppar och neurala nervfibrer.

    Forskning på gnagare har visat att sådana neuronliknande prober inte framkallar ett immunsvar när de sätts in i hjärnan. De kan övervaka både funktionen och migrationen av neuroner.

    Flytta in i celler

    De flesta BMI som används idag fångar upp elektriska hjärnsignaler som läcker utanför neuronerna. Om vi ​​tänker på den neurala signalen som ett ljud som genereras i ett rum, det nuvarande sättet att spela in är därför att lyssna på ljudet utanför rummet. Tyvärr, signalens intensitet reduceras kraftigt av väggens filtrerande effekt – neuronmembranen.

    För att uppnå de mest exakta funktionella avläsningarna för att skapa större kontroll av till exempel konstgjorda lemmar, elektroniska inspelningsenheter måste få direkt tillgång till nervcellers inre. Den mest använda konventionella metoden för denna intracellulära inspelning är "patch clamp-elektroden":ett ihåligt glasrör fyllt med en elektrolytlösning och en inspelningselektrod som bringas i kontakt med membranet i en isolerad cell. Men en mikrometer bred spets orsakar irreversibel skada på cellerna. Vad mer, den kan bara spela in ett fåtal celler åt gången.

    För att ta itu med dessa problem, vi utvecklade nyligen en hårnålsliknande 3-D nanotrådstransistoruppsättning och använde den för att läsa intracellulära elektriska aktiviteter från flera neuroner. Viktigt, vi kunde göra detta utan någon identifierbar cellulär skada. Våra nanotrådar är extremt tunna och flexibla, och lätt böjd till hårnålsformen - transistorerna är bara cirka 15x15x50 nanometer. Om en neuron var lika stor som ett rum, dessa transistorer skulle vara ungefär lika stora som ett dörrlås.

    Belagd med ett ämne som efterliknar känslan av ett cellmembran, dessa ultra små, flexibel, nanotrådssonder kan passera cellmembranen med minimal ansträngning. Och de kan spela in intracellulärt chatter med samma precisionsnivå som deras största konkurrent:patch-clamp-elektroder.

    Uppenbarligen är dessa framsteg viktiga steg mot korrekta och säkra BMI:er som kommer att vara nödvändiga om vi någonsin ska uppnå komplexa uppgifter som hjärna-till-hjärna-kommunikation.

    Det kanske låter lite läskigt men, i sista hand, om vår medicinska personal ska fortsätta att förstå våra kroppar bättre och hjälpa oss att behandla sjukdomar och leva längre, det är viktigt att vi fortsätter att tänja på gränserna för modern vetenskap för att ge dem bästa möjliga verktyg för att utföra sitt jobb. För att detta ska vara möjligt, en minimalt invasiv skärningspunkt mellan människor och maskiner är oundviklig.

    Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.




    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com