(Phys.org)—Hjärna-maskin-gränssnitt (BMI) är i grunden jippon. Anledningen till att du inte hör så mycket om dem nuförtiden är att, i tidens fullhet, betydande påtaglig nytta för en användare har helt misslyckats. Enkelt uttryckt, varken taggiga mikroelektroder, upprörande optogenetiska omarbetningar av vår fysiologi, inte heller att tatuera våra hjärnor med giftiga fluorescerande ämnen KOMMER aldrig att ge oss det vi behöver. Å andra sidan, om du kan se infödda spikar bubbla obehindrat genom axonområden på långt håll, utan någon av de ovannämnda farorna, du kanske är inne på något.

Även om alla seriösa hjärnforskare måste vara fullt medvetna om dessa sanningar på en viss nivå, varje kollektivt erkännande som sådant skulle kräva att flera grundläggande fundament av fältet överges. Till att börja, detta innebär att man släpper tanken att spikar beskrivs fullständigt av de strikt elektriska epifenomen som forskare förstärker på sina oscilloskop. Med andra ord, Att representera axoner som ekvivalenta kretsar som irreversibelt försvinner sin spetsenergi genom olika impedanser kommer till kort. Lyckligtvis, en kritisk massa av forskare har nu utvecklat verktyg för att undersöka spikens större inre fysik. Målet är att utveckla en mer allmän teori om excitabilitet i celler som kan förklara alla observerade fysiska förändringar (såsom dimension, tryck och temperatur). Deras hemliga sås, det som så småningom kommer att ge hjärnenheter vi eftertraktar, är etikettfri optisk detektering av mekaniska spikar.

Även om det finns en lång historia av arbete inom detta område, flera nya artiklar tyder på att vi äntligen börjar förstå denna fysik. Den första uppsatsen använder den beprövade metoden för fiberoptisk interferometri för att upptäcka förändringar i nanometerskala i den optiska väglängden som uppstår när celler spetsar. Den andra uppsatsen lyckas extrahera 0,2 nm skala exkursioner i cellhöljet under spikes med hjälp av bildsubtraktion och denoising-tekniker. Till sist, en tredje uppsättning rapporterar om de enorma förskjutningarna i mikronskala i Chara-växtceller med spik, och återkommer till den spännande frågan om vad som händer när spikar som rör sig i motsatta riktningar kolliderar.

Kan vi göra praktiska BMI med interferometrar?

För att utbredda praktiska BMI någonsin ska bli verklighet kommer de förmodligen att behöva vara små. Klassiska Michelson interferometrar, den typ som varje fysikmajor återskapar någon gång under en laboratoriekurs, har i allmänhet inte förknippats med kompakthet eller konfigurerbarhet. Även om det är lämpligt för saker som att motbevisa etern eller skymta gravitationsvågor med hjälp av massiva optiska ben, Michelson interferometrar är inte alltid förstahandsvalet för biologiska experiment. Istället, Mach-Zehnder-interferometern används ofta eftersom var och en av dess väl separerade ljusvägar bara korsas en gång, gör den mycket mer mångsidig. Mach-Zehnder-modulatorer kan nu byggas som monolitiska integrerade kretsar som har högbandbredd elektrooptisk amplitud och fassvar över ett multipelt GHz frekvensområde.

Trots de skenbara fördelarna med Mach Zehnder, Författaren Digant Dave från den första tidningen sa att de använder Michelson-interferometern för sina experiment eftersom den gemensamma vägtopologin ger mycket hög axiell känslighet. Särskilt, de kan mäta förskjutningar på mindre än 0,1 nm i ett in vitro-cellpreparat. Sondstrålens fläckstorlek är ~4,5 μm och hög SNR uppnås genom att placera neuroner mellan två glasbitar. De inspelade optiska pulserna varierade från 20 till 300 ms (oftast under 50 ms), vilket är lite längre än intervallet 5 till 7 ms för de spikar som de registrerade via patch-clamping.

Jag frågade Dave hur en in vivo 2-D nervskanningsimplementering av hans in vitro-inställning teoretiskt skulle kunna göras. Han sa att själva fiberspetsarna kunde vara så små som 1 mm och användas i endera av två lägen:antingen rasterscanna sondstrålen, eller skaffa 2D-bilder medan du skannar den ingående ljuskällans våglängd. Med en millimeter i diameter vardera, Jag skulle tro att det borde vara möjligt att trä in flera sådana prober i hjärnans ventrikulära system för att skanna de stora axontrakterna som kantar väggarna i 3:e och 4:e ventriklarna. Precis under lillhjärnan finns flera naturliga ventiler som cirkulerar CSF för att jämna ut trycket. Särskilt, Foramens av Magendi och Lushka skulle vara idealiskt lämpade för ändamålet.

I väntan på ytterligare miniatyrisering, mycket av hårdvaran för signalbearbetning och kanske till och med optisk strålförberedelse kan fortfarande behöva ligga tätt intill eller kopplad utanför kroppen. Av mer omedelbar oro än hårdvara, skulle vara effekterna av myelin på signalen. Hittills, de flesta studierna har gjorts med bara axoner eller växtceller som har blottats från sin cellvägg. Myelin kan absorbera eller på annat sätt dämpa mekaniska och termiska pulser, eller mycket möjligt kan det ha en förstärkande effekt på andra variabler som tryck. Till exempel, när Chara-cellerna "plasmalyserades", som rapporterades i den tredje tidningen, för att eliminera cellväggen och det tillhörande turgortrycket som den ger, de mindre 100 nm skalförskjutningarna omvandlades till mikronskaliga förskjutningar.

Jag frågade Digant vad han tyckte om möjligheten att mäta förskjutningar utan interferometrar som rapporterades i den andra uppsatsen som nämndes. Medan han noterade att 0,2 nm känslighet var mycket imponerande för ett standardljusfältskop, han observerade att dessa mätningar gjordes i sidled i cellhöljet och krävde ett betydande medelvärde av hundratals ramar. Författarna kunde också samtidigt lappklämma cellerna för att jämföra amplitud och fas för den elektriskt inspelade spiken, dock, detta i sig kan komplicera de mekaniska mätningarna. När det gäller att implementera denna typ av inspelning som ett BMI, Jag skulle tro att det skulle vara många svårigheter.

En utestående fråga angående spikar är om de har betydande icke-avledande komponenter. Bland annat, detta skulle tydligen ha stor betydelse för hur mycket energi de kräver och bär. Nyligen genomförda studier har försökt fastställa exakt hur mycket ATP olika typer av neuroner behöver för att spika, men det verkar som om många av deras underliggande antaganden är tveksamma. Digant rapporterar att många av de optiska pulserna har dissipativa komponenter, vilket indikerar flera cykler av avtagande svängning efter stimulering. Han planerar att påbörja studier med optogenetisk stimulering för att eliminera alla artefakter som introduceras av patchclamp.

Ett bra sätt att få grepp om vad som händer i spikceller är att observera vad som händer när pulser kolliderar. Med andra ord, förintar de på grund av avslappnande jonkanaler som teorin förutspår, eller kan de passera genom varandra? Tidigare forskning har funnit att spikar naturligt fortplantas i motsatta riktningar nedför axoner, och vidare att de i vissa fall kan passera rakt igenom varandra opåverkade. Annat arbete har också visat att hastigheten, amplituden och formen på spiken beror normalt på vilken väg den är på väg. De senaste studierna som rapporterats här för kollisioner i Chara-celler fann att elektriskt registrerade spikar för det mesta förstörs vid kollision.

Författarna föreslår att ur akustisk synvinkel, annihilation kan vara ett resultat av icke-linjära materialegenskaper hos hela det exciterbara mediet. Eftersom det har förekommit vissa diskrepanser mellan fasen och riktningarna för cellexpansion i olika studier med avseende på tidsförloppet för den elektriska spiken, optiska inspelningar av kollision skulle förmodligen vara informativa. Vi bör notera att i axoner, olika protein- och lipidkompartment kan bära olika former av excitation. Till exempel, medan jonkanaler vanligtvis är förknippade med den elektriska spiken, solitonliknande vågfenomen kan fortplanta sig i kala hinnor. I de tidiga dagarna, de ursprungliga Hodgkin-Huxley-artiklarna föreslog att membrandipoler själva kan vara ansvariga för aktionspotentialer.

Vidare, aktincytoskelettet kan också propagera excitation (även om pulser i allmänhet under längre tider som vid muskelkontraktion), och även tubulincytoskelettet verkar stödja excitation och oscillation. Såsom nämnts, myelinet bidrar sannolikt också, möjligen även genom andra fysikaliska processer som förökande fasförändringar i lipidkomponenter. En sak vi kan tänka på för in vivo-mätningar (särskilt för buntade nerver) är att olika fasciklar kan bilda sin egen optiska sandwich som kan användas för den optiska referensväglängden som gjorts för Digands in vitro-arbete.

En högst försummad, men den kanske viktigaste källan till excitation i celler eller axoner kan vara mitokondrierna. I hjärtceller, till exempel, det så kallade "mitoflash"-svaret, koordineras av upp till 8000 mitokondrier per cell, upprätthåller ATP-'börvärdet' exakt över en arbetsbelastning som ändras med tio gånger. Denna mitoflash-excitation är i sig sammansatt av flera olika komponenter; så kallade "redoxgnistor", kalcium, NADPH, protoner, och andra molekyler har alla registrerats, för att inte tala om nyare studier som visar att insidan av aktivt andande mitokondrier kan överstiga 50 grader C. Även om det är kontroversiellt, superoxidanjon, ibland förknippad med direkt kontroll av åldrande och livslängd, har också antagits detekteras av olika mitoflashsonder.

Eftersom mitokondrier är koncentrerade vid axoninternoder är det mycket möjligt att de bidrar väsentligt till den saltande ledningen av spikar i myeliniserade axoner. Med tanke på att membranpotentialen i mitokondrier är minst dubbelt så stor som i själva cellen, och det kommer i många små och mobila förpackningar per neuron, detta kanske inte är alltför överraskande. Excitabiliteten för hela cellen skulle då kontrolleras av dispergering eller aggregering av mitokondrier till olika formationer, kanske liknar hur hudfärgen styrs av strategisk mobilisering av melanosomer. Mer lokalt, mitoflash har visat sig kontrollera storlek och morfologi i dendritiska ryggraden, leder till hänsynslösa spekulationer angående minne.

För BMI:er vill många en dag vara praktiska, inte bara en teori om spikar kommer att vara avgörande, men jag skulle också föreslå möjligheten att upptäcka, skapa, eller förstöra dem genom samma fysiska processer som naturligt stöder dem.

© 2017 Phys.org