At forbinde hjerner med computere:Hvordan nye implantater hjælper os med at nå dette mål

Cyborgs er ikke længere science fiction. Feltet for hjerne-maskine-grænseflader (BMI) - som bruger elektroder, ofte implanteret i hjernen, at oversætte neuronal information til kommandoer, der er i stand til at styre eksterne systemer såsom en computer eller robotarm - har faktisk eksisteret i nogen tid. Iværksætter Elon Musks firma, Neuralink, sigter mod at teste deres BMI-systemer på en menneskelig patient inden udgangen af ​​2020.

På lang sigt, BMI-enheder kan hjælpe med at overvåge og behandle symptomer på neurologiske lidelser og kontrollere kunstige lemmer. Men de kunne også give en plan for at designe kunstig intelligens og endda muliggøre direkte hjerne-til-hjerne-kommunikation. Imidlertid, indtil videre, den største udfordring er at udvikle BMI'er, der undgår at beskadige hjernevæv og celler under implantation og operation.

BMI'er har eksisteret i over et årti, hjælpe mennesker, der har mistet evnen til at kontrollere deres lemmer, for eksempel. Imidlertid, konventionelle implantater - ofte lavet af silicium - er størrelsesordener stivere end det faktiske hjernevæv, hvilket fører til ustabile optagelser og skader på omgivende hjernevæv.

De kan også føre til et immunrespons, hvor hjernen afviser implantatet. Dette er fordi vores menneskelige hjerne er som en bevogtet fæstning, og neuroimmunsystemet – ligesom soldater i denne lukkede fæstning – vil beskytte neuroner (hjerneceller) mod ubudne gæster, såsom patogener eller BMI.

Fleksible enheder

For at undgå skader og immunresponser, forskere fokuserer i stigende grad på udviklingen af ​​såkaldt "fleksibel BMI." Disse er meget blødere end siliciumimplantater og ligner faktisk hjernevæv.

For eksempel, Neuralink lavede sine første designede fleksible "tråde" og indsætter - lille, trådlignende sonder, som er meget mere fleksible end tidligere implantater - til at forbinde en menneskelig hjerne direkte til en computer. Disse blev designet til at minimere chancen for, at hjernens immunrespons afstøder elektroderne efter indsættelse under hjernekirurgi.

I mellemtiden forskere fra Lieber-gruppen ved Harvard University har for nylig designet en mini-mesh-sonde, der ligner så meget rigtige neuroner, at hjernen ikke kan identificere bedragerne. Denne bio-inspirerede elektronik består af platinelektroder og ultratynde guldtråde indkapslet af en polymer med størrelse og fleksibilitet svarende til neuroncellelegemer og neurale nervefibre.

Forskning på gnavere har vist, at sådanne neuronlignende prober ikke fremkalder et immunrespons, når de indsættes i hjernen. De er i stand til at overvåge både funktionen og migrationen af ​​neuroner.

Bevæger sig ind i celler

De fleste BMI'er, der bruges i dag, opfanger elektriske hjernesignaler, der lækker uden for neuronerne. Hvis vi tænker på det neurale signal som en lyd genereret inde i et rum, den nuværende måde at optage på er derfor at lytte til lyden uden for rummet. Desværre, intensiteten af ​​signalet reduceres kraftigt af væggens filtrerende effekt - neuronmembranerne.

For at opnå de mest nøjagtige funktionelle aflæsninger for at skabe større kontrol over for eksempel kunstige lemmer, elektroniske optageenheder skal have direkte adgang til det indre af neuroner. Den mest udbredte konventionelle metode til denne intracellulære optagelse er "patch clamp-elektroden":et hult glasrør fyldt med en elektrolytopløsning og en optageelektrode bragt i kontakt med membranen af ​​en isoleret celle. Men en mikrometer bred spids forårsager irreversibel skade på cellerne. Hvad mere er, den kan kun optage nogle få celler ad gangen.

For at løse disse problemer, vi udviklede for nylig en hårnålelignende 3-D nanotrådstransistorarray og brugte den til at læse intracellulære elektriske aktiviteter fra flere neuroner. Vigtigt, vi var i stand til at gøre dette uden nogen identificerbar cellulær skade. Vores nanotråde er ekstremt tynde og fleksible, og let bøjet ind i hårnåleformen - transistorerne er kun omkring 15x15x50 nanometer. Hvis en neuron var på størrelse med et rum, disse transistorer ville være på størrelse med en dørlås.

Belagt med et stof, der efterligner følelsen af ​​en cellemembran, disse ultra små, fleksibel, nanowire-prober kan krydse cellemembranerne med minimal indsats. Og de kan optage intracellulær chatter med samme præcisionsniveau som deres største konkurrent:patch-klemmeelektroder.

Det er klart, at disse fremskridt er vigtige skridt hen imod nøjagtige og sikre BMI'er, som vil være nødvendige, hvis vi nogensinde skal opnå komplekse opgaver som hjerne-til-hjerne-kommunikation.

Det lyder måske lidt skræmmende, men ultimativt, hvis vores læger skal fortsætte med at forstå vores kroppe bedre og hjælpe os med at behandle sygdomme og leve længere, det er vigtigt, at vi fortsætter med at skubbe grænserne for moderne videnskab for at give dem de bedst mulige værktøjer til at udføre deres arbejde. For at dette er muligt, et minimalt invasivt skæringspunkt mellem mennesker og maskiner er uundgåeligt.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.