Geskryf deur Yunlong Zhao
whiteMocca / Shutter, CC BY-SA
Cyborgs is nie meer wetenskapfiksie nie. Die veld van brein-masjien-koppelvlakke (BMI) - wat elektrodes gebruik, wat dikwels in die brein ingeplant word, om neuronale inligting te vertaal in opdragte wat eksterne stelsels soos 'n rekenaar of robotarm kan beheer - bestaan ​​al 'n geruime tyd. Die onderneming Elon Musk, Neuralink, wil dit doen toets hul BMI-stelsels aan 'n menslike pasiënt teen die einde van 2020.
Op die langtermyn kan BMI-toestelle help om simptome van neurologiese afwykings te monitor en te behandel en kunsmatige ledemate te beheer. Maar hulle kan ook 'n bloudruk bied om kunsmatige intelligensie te ontwerp en selfs direkte brein-tot-brein-kommunikasie moontlik te maak. Die grootste uitdaging is egter voorlopig om BMI's te ontwikkel wat breinweefsel en selle tydens inplanting en operasie vermy.
BMI's bestaan ​​al meer as 'n dekade en help mense wat die vermoë verloor het om hul ledemate te beheer, byvoorbeeld. Konvensionele inplantings - wat dikwels van silikon vervaardig is - is orden van grootte stywer as die werklike breinweefsel, wat daartoe lei onstabiele opnames en skade na omliggende breinweefsel.
Dit kan ook lei tot 'n immuunrespons waarin die brein die inplantaat verwerp. Dit is omdat ons menslike brein soos 'n beskermde fort is, en die neuro-immuunstelsel - soos soldate in hierdie geslote vesting - neurone (breinselle) teen indringers, soos patogene of BMI, sal beskerm.
Wil jy gesond eet? Probeer volhoubare inkopies en 'n ekovriendelike dieet
Om skade en immuunrespons te voorkom, fokus navorsers toenemend op die ontwikkeling van die sogenaamde “buigsame BMI”. Dit is baie sagter as silikoninplantings en soortgelyk aan werklike breinweefsel.
'N Skyf van tienduisende buigsame elektrodes, elkeen baie kleiner as 'n hare. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA
Neuralink het byvoorbeeld die eerste ontwerp gemaak buigsame “drade” en insetsel - Klein, draadagtige sondes, wat baie meer buigsaam is as vorige inplantings - om 'n menslike brein direk aan 'n rekenaar te koppel. Dit is ontwerp om die kans te verminder dat die immuunrespons van die brein die elektrodes na die inbring tydens breinoperasies verwerp.
Intussen het navorsers van Lieber groep aan die Harvard-universiteit het onlangs 'n mini-gaassonde ontwerp wat soveel soos regte neurone lyk, dat die brein nie die imposante kan identifiseer nie. hierdie bio-geïnspireerde elektronika bestaan ​​uit platinumelektrodes en ultra-dun goue drade wat deur 'n polimeer ingekap is met 'n grootte en buigsaamheid soortgelyk aan neuron-selliggame en neurale senuweevesels.
Navorsing oor knaagdiere het getoon dat so neuronagtige sondes ontlok nie 'n immuunrespons as dit in die brein geplaas word nie. Hulle kan die funksie en migrasie van neurone monitor.
Beweeg in selle
Die meeste BMI's wat vandag gebruik word, haal elektriese breinseine op wat buite die neurone lek. As ons aan die neurale sein dink soos 'n geluid wat in 'n kamer gegenereer word, is die huidige manier van opname dus om na die geluid buite die kamer te luister. Ongelukkig word die intensiteit van die sein aansienlik verminder deur die filtereffek van die muur - die neuronmembrane.
Om die akkuraatste funksionele lesings te bewerkstellig om groter beheer oor byvoorbeeld kunsmatige ledemate te bewerkstellig, moet elektroniese opnametoestelle direkte toegang tot die binnekant van neurone verkry. Die konvensionele metode wat die meeste gebruik word vir hierdie intrasellulêre opname is die 'patch clamp elektrode': 'n hol glasbuis gevul met 'n elektrolietoplossing en 'n opname-elektrode wat in kontak gebring word met die membraan van 'n geïsoleerde sel. Maar 'n mikrometer wye punt veroorsaak onomkeerbare skade aan die selle. Boonop kan dit slegs 'n paar selle tegelyk opneem.
Om hierdie kwessies aan te spreek, het ons onlangs 'n haarnaaldagtige 3D nanowire-transistor-skikking en dit gebruik om intrasellulêre elektriese aktiwiteite van veelvuldige neurone te lees. Dit is belangrik dat ons dit kon doen sonder enige sellulêre skade. Ons nano-drade is buitengewoon dun en buigsaam en kan maklik in die haarspeldvorm gebuig word - die transistors is slegs ongeveer 15x15x50 nanometer. As 'n neuron so groot soos 'n kamer was, sou hierdie transistors ongeveer die grootte van 'n deurslot wees.
Hierdie ultra klein, buigsame, nanowire-ondersoeke, bedek met 'n stof wat die gevoel van 'n selmembraan naboots, kan die selmembrane met minimale inspanning oorsteek. En hulle kan intrasellulêre geklets opneem met dieselfde vlak van presisie as hul grootste mededinger: pleisterklemelektrodes.
Dit is duidelik dat hierdie vooruitgang belangrike stappe in die rigting van akkurate en veilige BMI's is wat nodig sal wees as ons ooit ingewikkelde take soos brein-tot-brein-kommunikasie sal wil uitvoer.
Dit klink miskien 'n bietjie eng, maar uiteindelik, as ons mediese kundiges ons liggaam steeds beter wil verstaan ​​en ons kan help om siektes te behandel en langer te leef, is dit belangrik dat ons aanhou om die grense van die moderne wetenskap te benut om hulle die beste moontlik te maak gereedskap om hul werk te doen. Om dit moontlik te maak, is 'n minimaal indringende kruising tussen mense en masjiene onvermydelik.
Yunlong Zhao, dosent in energieberging en bio-elektronika, Universiteit van Surrey
Hoe wetenskap die genetika van siektes gebruik om dwelmmiddels beter te maak