Ren optisk påvisning af pigge til den ultimative hjernemaskine -grænseflade

(Phys.org) —Brain-machine interfaces (BMI’er) er dybest set gimmicks. Grunden til at du ikke hører så meget om dem i disse dage, er fordi, i tidens fylde, væsentlig håndgribelig fordel for en bruger er fladt ude af stand til at blive til noget. Enkelt sagt, hverken stikkende mikroelektrode -arrays, rystende optogenetiske omarbejder til vores fysiologi, heller ikke at tatovere vores hjerner med giftige fluorescenser VIL nogensinde give os det, vi har brug for. På den anden side, hvis du kan se indfødte pigge boblende uberørt gennem axon -kanaler på afstand, uden nogen af ​​de førnævnte farer, du er måske på noget.

Selvom enhver seriøs hjerneforsker skal være fuldt ud klar over disse sandheder på et eller andet tarmniveau, enhver kollektiv optagelse som sådan ville kræve, at flere grundlæggende underlag for feltet blev fjernet. Til at begynde med, dette betyder at give slip på ideen om, at pigge er fuldt ud beskrevet af de strengt elektriske epifænomener, forskerne forstærker på deres oscilloskoper. Med andre ord, repræsenterer axoner som ækvivalente kredsløb, der irreversibelt spreder deres spike -energi gennem forskellige impedanser, kommer til kort. Heldigvis, en kritisk masse forskere har nu udviklet værktøjer til at undersøge pigens større iboende fysik. Målet er at udvikle en mere generel teori om ophidselse i celler, som kan forklare alle de observerede fysiske ændringer (såsom dimension, tryk og temperatur). Deres hemmelige sauce, det, der i sidste ende vil give hjerneapparater, vi begærer, er etiketfri optisk detektion af mekaniske pigge.

Selvom der er en lang historie med arbejde på dette område, flere nyere artikler tyder på, at vi endelig er begyndt at forstå denne fysik. Det første papir anvender den gennemprøvede metode til fiberoptisk interferometri til at detektere nanometerskalaændringer i optisk sti -længde, der opstår, når celler stiger. Det andet papir formår at udtrække 0,2 nm skalaudflugter i cellehylsteret under pigge ved hjælp af billedsubtraktion og denoising -teknikker. Endelig, et tredje sæt rapporterer om de enorme forskydninger i mikronskala i spikende Chara planteceller, og genbesøger det spændende spørgsmål om, hvad der sker, når pigge, der rejser i modsatte retninger, støder sammen.

Kan vi lave praktiske BMI’er med interferometre?

For at udbredte praktiske BMI'er nogensinde skal blive en realitet, skal de sandsynligvis være små. Klassiske Michelson -interferometre, den slags, hver fysik major genskaber på et tidspunkt i et laboratorieforløb, har generelt ikke været forbundet med kompakthed eller konfiguration. Selvom det er egnet til ting som at modbevise æteren eller glimtende gravitationsbølger ved hjælp af massive optiske ben, Michelson interferometre er ikke altid førstevalget til biologiske forsøg. I stedet, Mach-Zehnder-interferometeret bruges ofte, fordi hver af dens godt adskilte lysveje kun krydses én gang, gør det meget mere alsidigt. Mach-Zehnder-modulatorer kan nu opbygges som monolitiske integrerede kredsløb, der har elektrooptisk amplitude med høj båndbredde og faseresponser over et frekvensområde på flere GHz.

På trods af de tilsyneladende fordele ved Mach Zehnder, forfatter Digant Dave fra det første papir sagde, at de bruger Michelson -interferometeret til deres eksperimenter, fordi den fælles stitopologi giver meget høj aksial følsomhed. I særdeleshed, de kan måle forskydninger på mindre end 0,1 nm i et in vitro -cellepræparat. Sonden stråle spot størrelse er ~ 4,5 um og høj SNR opnås ved at sandwich neuroner mellem to stykker glas. De optagede optiske pulser varierede fra 20 til 300 ms (for det meste under 50 ms), hvilket er lidt længere end 5 til 7 ms -området for de pigge, de registrerede via patch -fastspænding.

Jeg spurgte Dave, hvordan en in vivo 2-D nerve-scanningsimplementering af hans in vitro-setup teoretisk set kan foretages. Han sagde, at fiberspidserne i sig selv kunne være så små som 1 mm og kunne bruges i en af ​​to tilstande:enten raster scan sondebjælken, eller erhverve 2-D-billeder, mens du scanner input-lyskildens bølgelængde. Hver med en millimeter i diameter, Jeg vil tro, at det burde være muligt at tråde flere sådanne sonder ind i hjernens ventrikelsystem for at scanne de store axon -kanaler, der forer vægge i 3. og 4. ventrikel. Lige under lillehjernen er der flere naturlige ventilationsåbninger, der cirkulerer CSF for at ækvilibrere trykket. I særdeleshed, Foramens of Magendi og Lushka ville være ideelt egnet til formålet.

Afventende yderligere miniaturisering, meget af hardwaren til signalbehandling og måske endda optisk stråleforberedelse skal muligvis stadig forblive tæt anbragt eller bundet uden for kroppen. Af mere umiddelbar bekymring end hardware dog, ville være virkningen af ​​myelin på signalet. Til dato, de fleste af undersøgelserne er blevet udført ved hjælp af bare axoner eller planteceller, der er blevet fjernet fra deres cellevæg. Myelin kan absorbere eller på anden måde dæmpe mekaniske og termiske pulser, eller muligvis kan det have en forstærkende effekt på andre variabler som tryk. For eksempel, når Chara -cellerne blev 'plasmalyseret', som rapporteret i det tredje papir, at fjerne cellevæggen og det tilhørende turgortryk, som den giver, de mindre 100nm skala forskydninger blev konverteret til mikron skala forskydninger.

Jeg spurgte Digant, hvad han syntes om udsigten til at måle forskydninger uden interferometre, som det blev rapporteret i det andet nævnte papir. Selvom han bemærkede, at 0,2 nm følsomhed var meget imponerende for et standardlysfelt, han observerede, at disse målinger blev foretaget sideværts i cellehylsteret og krævede betydelig gennemsnit af hundredvis af billeder. Forfatterne var også i stand til samtidig at patchklemme cellerne for at sammenligne amplitude og fase af den elektrisk registrerede spike, imidlertid, dette kan i sig selv komplicere de mekaniske målinger. For så vidt angår implementering af denne form for optagelse som et BMI, Jeg tror, ​​der ville være mange vanskeligheder.

Et udestående spørgsmål vedrørende pigge er, om de har betydelige ikke-afledende komponenter. Kan lide andre ting, dette vil tilsyneladende bære betydeligt på, hvor meget energi de kræver og bærer. Nylige undersøgelser har forsøgt præcist at bestemme, hvor meget ATP forskellige slags neuroner har brug for til at spike, men det ser ud til, at mange af deres underliggende antagelser er tvivlsomme. Digant rapporterer, at mange af de optiske pulser har dissipative komponenter som angivet flere cykler med henfaldende oscillation efter stimulering. Han planlægger at påbegynde undersøgelser ved hjælp af optogenetisk stimulering for at eliminere enhver artefakt, der blev introduceret med patch clamp.

En god måde at få styr på, hvad der foregår i pigge celler, er at observere, hvad der sker, når pulser støder sammen. Med andre ord, tilintetgør de på grund af afslappende ionkanaler som teori forudsiger, eller kan de passere gennem hinanden? Tidligere forskning har fundet ud af, at pigge naturligt formeres i modsatte retninger ned ad axoner, og desuden, at de i nogle tilfælde kan passere lige igennem hinanden upåvirket. Andet arbejde har også vist, at hastigheden, amplituden og formen på piggen afhænger normalt af hvilken vej den går. De seneste undersøgelser, der er rapporteret her for kollisioner i Chara -celler, fandt ud af, at elektrisk registrerede pigge for det meste tilintetgøres ved kollision.

Forfatterne foreslår, at fra et akustisk synspunkt, tilintetgørelse kan være et resultat af ikke -lineære materialegenskaber for hele det exciterende medium. Fordi der har været nogle uoverensstemmelser mellem fasen og retninger for celleudvidelse i forskellige undersøgelser med hensyn til tidsforløbet for den elektriske spike, optiske optagelser af kollision ville sandsynligvis være informativ. Vi skal bemærke, at i axoner, forskellige protein- og lipidrum kan bære forskellige former for excitation. For eksempel, mens ionkanaler typisk er forbundet med den elektriske spike, soliton-lignende bølgefænomener kan forplante sig i bare membraner. I de tidlige dage, de originale Hodgkin-Huxley-papirer foreslog, at membrandipoler selv kunne være ansvarlige for aktionspotentialer.

Desuden, actincytoskelet kan også forplante excitation (selvom pulser generelt i længere tid som ved muskelsammentrækning), og også tubulins cytoskelet synes at understøtte excitation og oscillation. Som sagt, myelin bidrager sandsynligvis også, muligvis endda gennem andre fysiske processer som formeringsfaseændringer i lipidkomponenter. En ting vi måske husker på in vivo målinger (især for bundte nerver) er, at forskellige fascicles kan danne deres egen optiske sandwich, som kan bruges til referenceoptisk sti længde som udført for Digands in vitro arbejde.

En mest forsømt, men den måske vigtigste kilde til excitation i celler eller axoner kan være mitokondrierne. I hjerteceller, for eksempel, det såkaldte 'mitoflash' svar, koordineret af op til 8000 mitokondrier pr. celle, fastholder præcist ATP 'setpunkt' på tværs af en arbejdsbyrde, der ændres ti gange. Denne mitoflash -excitation består i sig selv af flere forskellige komponenter; såkaldte 'redox-gnister', kalk, NADPH, protoner, og andre molekyler er alle blevet registreret, for ikke at nævne nylige undersøgelser, der viser interiøret i aktivt åndende mitokondrie kan overstige 50 grader C. Selvom det er kontroversielt, superoxidanion, undertiden forbundet med direkte kontrol af aldring og levetid, er også formodet at blive opdaget af forskellige mitoflash -prober.

Fordi mitokondrier er koncentreret ved axon -internoder, er det ganske muligt, at de yder et væsentligt bidrag til den saltende ledning af pigge i myeliniserede axoner. I betragtning af at membranpotentialet i mitokondrier er mindst det dobbelte af selve cellen, og den findes i mange små og mobile pakker pr. neuron, dette er måske ikke for overraskende. Hele cellens ophidselse ville derefter blive kontrolleret ved spredning eller aggregering af mitokondrier i forskellige formationer, måske beslægtet med, hvordan hudfarve styres af strategisk mobilisering af melanosomer. Mere lokalt, mitoflash har vist sig at kontrollere størrelse og morfologi i dendritiske rygsøjler, hvilket fører til vilde spekulationer om hukommelse.

For BMI'erne ønsker mange at en dag være praktisk, ikke kun en teori om pigge vil være afgørende, men jeg vil også foreslå evnen til at opdage, skab, eller ødelæg dem ved de samme fysiske processer, der naturligt understøtter dem.

© 2017 Phys.org