Znanstvenici otkrivaju kako "hakirati mozak" bez kirurškog zahvata

Obilje legitimne znanosti - plus mnoštvo znanstvene fantastike - raspravlja o načinima “hakiranja mozga”. Što to zapravo znači, većinu vremena - čak iu izmišljenim primjerima - uključuje operaciju, otvaranje lubanje kako bi se implantirali žice ili naprave fizički u mozak.

Ali to je teško, opasno i potencijalno smrtonosno. Bilo bi pametnije raditi s mozgom bez potrebe za otvaranjem pacijentovih lubanja. Neurološki poremećaji su česti, pogađaju više od milijardu ljudi širom svijeta, svih uzrasta, spola, te razine obrazovanja i prihoda. Istraživanje mog neuralnog inženjerskog tima, kao dio šireg napora u bioinžinjerskoj disciplini, radi na razumijevanju i ublažavanju različitih neuroloških disfunkcija, kao što su multipla skleroza, poremećaj autističnog spektra i Alzheimerova bolest.

Možda će vam se svidjeti i: Video prikazuje moždanu iglu koja se testira na ljudima

Identificiranje i utjecanje na moždanu aktivnost izvan lubanje moglo bi dopustiti liječnicima da dijagnosticiraju i liječe širok raspon oboljenja živčanog sustava i mentalnih poremećaja bez invazivne operacije.

Vidi također: Povlačenje gubitka memorije moglo bi biti moguće uz uporabu "terapeutskih molekula"

Bežične veze unutar mozga

Moja skupina vjeruje da smo prvi otkrili novi način na koji živčane stanice komuniciraju jedna s drugom. Živci su dobro poznati da se povezuju preko fizičkih veza - ili onoga što bi se moglo nazvati "žičanim" vezama - u kojima aksoni jedne živčane stanice šalju električne i kemijske signale dendritima susjedne stanice.

Naše istraživanje je otkrilo da živčane stanice također komuniciraju bežično, koristeći žičanu aktivnost za stvaranje vlastitih vlastitih malih električnih polja, i osjećajući polja koja stvaraju susjedne stanice. Time se stvara mogućnost za mnogo više živčanih puteva i može se objasniti zašto se različiti dijelovi mozga tako brzo povezuju tijekom izvršavanja složenih zadataka.

Uspjeli smo pratiti ta električna polja izvan lubanje, učinkovito slušajući živčane komunikacije. Nadamo se da će nam pomoći u pronalaženju alternativnih, zdravih veza za živce oštećene multiple sklerozom ili rebalansa živčane aktivnosti zbog poremećaja iz autističnog spektra, ili da će neuroni pucati zajedno u specifičnim uzorcima i vratiti dugoročna sjećanja izgubljena kao rezultat Alzheimerove bolesti,

Naime, otkrili smo kada je izolirana, ili mijelinirana, živčana vlakna u mozgu aktivna i slanje signala duž njegove duljine poznate kao akcijski potencijali, posebna područja duž njezine duljine stvaraju vrlo malo električno polje. Stanična područja u kojima se to događa, nazvana Ranvierovim čvorovima, djeluju kao male antene koje mogu prenositi i primati električne signale.

Bilo koji poremećaj dviju visoko specijaliziranih struktura - mijelinska ovojnica ili čvor Ranviera - ne rezultira samo neurološkom disfunkcijom, već se i okolno električno polje mijenja.

Slušam živce

Tehnološki izazov uključuje precizno ciljanje određenih dijelova mozga kako bi se slušalo. Uređaj mora primati signale od područja otprilike promjera ljudske kose, nekoliko centimetara duboko unutar mozga.

Jedan od načina je postavljanje malog broja fleksibilnih antena na lubanju kako bi se stvorilo ono što mi zovemo "moždana leća". Uspoređujući očitanja iz nekoliko zakrpa, možemo elektronski ciljati točno na živce kako bismo ih slušali. Projektiramo i eksperimentiramo s metamaterijalima - materijalima konstruiranim na molekularnoj razini - koji su osobito dobri u službi kao antene visoke točnosti koje se mogu podesiti za primanje signala iz vrlo specifičnih lokacija.

Nema bola, nego potencijalno velikog dobitka

Slušajući bežične komunikacije između živaca, možemo identificirati područja mozga gdje električna polja ukazuju na probleme. Detaljne karakteristike živčane aktivnosti - ili nedostatak aktivnosti - mogu ponuditi tragove o tome koji se specifični problem pojavljuje u mozgu. Ovi nalazi mogu pomoći u dijagnosticiranju potencijalnih medicinskih stanja mnogo lakše od trenutnih metoda.

Gledajte, na primjer, na stvarni slučaj jednog pacijenta, 38-godišnje žene, nazvat ćemo "Bianca", kojoj je dijagnosticirana multipla skleroza, degenerativna bolest mozga i leđne moždine koja nema poznatog lijeka., Imunološki sustavi pacijenata s multiplom sklerozom oštećuju mijelinsku ovojnicu između čvorova Ranviera, uzrokujući komunikacijske probleme između mozga i ostatka tijela. To oštećenje radikalno mijenja aktivnost zahvaćenih živaca.

Kako bi pratila napredovanje svoje bolesti, Bianca je imala spinalne slavine kako bi vidjela ima li njezina spinalna tekućina visoke razine određenih protutijela povezanih s MS. Također je imala i MRI skeniranja kako bi otkrila područja njezina mozga gdje je mijelin oštećen, te će se suočiti s dodatnim testiranjem kako bi utvrdio koliko brzo informacija teče kroz njezin živčani sustav.

Upotrebom uređaja s moždanim lećama liječnici bi mogli pratiti Biancin mozak bez bolnih spinalnih slavina i neugodnih i dugotrajnih MRI-a i CT-a. Jednog dana može dopustiti Bianci da nadzire vlastiti mozak i šalje podatke svom stručnjaku radi procjene.

Terapijski tretman bez lijekova i operacija

Nadalje, nadamo se da će naš pristup dovesti do novih terapija koje su također lakše za pacijente. U ovom trenutku, Bianca uzima nekoliko lijekova koji nose značajne zdravstvene rizike i često joj čine osjećaj mučnine i umora. Ona je jedna od mnogih koji žele isprobati drugu terapijsku opciju.

Ovaj rad planira ići dalje od utvrđivanja područja njezina mozga gdje električna polja ukazuju na nezdrave uvjete. Inspirirani upravljanjem računalnom mrežom i naprednim digitalnim mrežama, koje usmjeravaju signale oko oštećenih ili prekinutih područja, razvijamo metodu kojom naš sustav zakrpavanja može slati poruke iu mozak.

Vidi također: Sučelje mozga i računala može prevesti jednostavne misli u govor

Svaka oštećena živčana vlakna općenito je jedna od tisuća spojenih u trakt živčanih vlakana gdje su susjedna živčana vlakna tipično zdrava. Naš uređaj može pomoći identificirati mjesta s oštećenjem mijelina i slijediti ta živčana vlakna prije točke oštećenja, kako bi pokupio njihove nesmetane signale. Tada bismo koristili moždanu leću za prijenos komplementarnih električnih polja u mozak, šaljući one zdrave signale u područja oko oštećenja mijelina, kako bismo potaknuli susjedna živčana vlakna da nose poruke koje oštećeno vlakno ne može.

Do sada smo uspjeli simulirati taj pristup u super-računalnom okruženju gdje su parametri nervnog mozga osigurani u kliničkim istraživačkim laboratorijima. U narednim mjesecima izgradit ćemo i testirati prototip mozga. Slušanje u mozgu i komunikacija s njim nudi fascinantan novi skup mogućnosti za medicinsku dijagnozu i liječenje bez operacije.

Ovaj je članak izvorno objavljen na razgovoru Salvatorea Domenica Morgera. Pročitajte izvorni članak ovdje.