whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA
Kyborgia ei enää ole tieteiskirjallisuutta. Aivojen ja koneiden rajapintojen (BMI) kenttä - joka käyttää elektrodeja, jotka usein implantoidaan aivoihin, kääntämään hermostoa koskevat tiedot komennoiksi, jotka kykenevät hallitsemaan ulkoisia järjestelmiä, kuten tietokonetta tai robottivarret - ovat olleet olemassa jo jonkin aikaa. Yrittäjä Elon Muskin yritys, Neuralink, pyrkii testata heidän BMI-järjestelmänsä ihmispotilaalla 2020: n loppuun mennessä.
Pitkällä aikavälillä BMI-laitteet voivat auttaa seuraamaan ja hoitamaan neurologisten häiriöiden oireita ja hallitsemaan keinotekoisia raajoja. Mutta ne voisivat myös tarjota suunnitelman tekoälyn suunnittelusta ja jopa mahdollistaa aivojen välinen suora viestintä. Toistaiseksi päähaasteena on kuitenkin kehittää BMI, joka välttää aivokudoksen ja -solujen vaurioitumisen implantoinnin ja leikkauksen aikana.
BMI: t ovat olleet olemassa jo yli vuosikymmenen ajan, ja ne auttavat ihmisiä, jotka ovat menettäneet kykynsä hallita raajojaan, esimerkiksi. Tavanomaiset implantit - usein piistä valmistetut - ovat kuitenkin suuruusluokkia jäykempiä kuin varsinainen aivokudos, mikä johtaa epävakaa äänitys ja vauriot ympäröivään aivokudokseen.
Ne voivat myös johtaa immuunivaste jossa aivot hylkäävät implantin. Tämä johtuu siitä, että ihmisen aivomme on kuin vartioitu linnoitus, ja neuroimmuunijärjestelmä - kuten tämän suljetun linnoituksen sotilaat - suojaa hermosoluja (aivosoluja) tunkeilijoilta, kuten patogeeneiltä tai BMI: ltä.
Joustavat laitteet
Vaurioiden ja immuunivasteiden välttämiseksi tutkijat keskittyvät yhä enemmän ns. Joustavan BMI: n kehittämiseen. Nämä ovat paljon pehmeämpiä kuin piimplantit ja samanlaisia kuin varsinainen aivokudos.
Kymmenien tuhansien joustavien elektrodien kiekko, jokainen paljon pienempi kuin hiukset. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA
Esimerkiksi Neuralink teki ensimmäisen suunnitellun joustavat ”kierteet” ja insertti - pienet, lankamaiset koettimet, jotka ovat paljon joustavampia kuin aikaisemmat implantit - yhdistääkseen ihmisen aivot suoraan tietokoneeseen. Ne suunniteltiin minimoimaan aivojen immuunivasteen mahdollisuus hylätä elektrodit insertoinnin jälkeen aivoleikkauksen aikana.
{vembed Y = kPGa_FuGPIc}
Samaan aikaan tutkijat Lieber-ryhmä Harvardin yliopistossa suunnitteli äskettäin mini mesh-koettimen, joka näyttää niin paljon kuin oikeat hermosolut, että aivot eivät pysty tunnistamaan tekijöitä. Nämä bio-innoittama elektroniikka koostuvat platinaelektrodoista ja ultra-ohuista kultalangoista, jotka on kapseloitu polymeerillä, jonka koko ja joustavuus ovat samanlaisia kuin hermosolujen rungot ja hermohermo kuidut.
Jyrsijöiden tutkimus on osoittanut, että sellainen neuronin kaltaiset koettimet älä aiheuta immuunivastetta kun se asetetaan aivoihin. He pystyvät seuraamaan sekä neuronien toimintaa että siirtymistä.
Muutto soluihin
Suurin osa nykyisin käytetyistä BMI-arvoista poimii sähköisiä aivosignaaleja, jotka ovat vuotaneet neuronien ulkopuolelle. Jos ajattelemme hermosignaalia kuin huoneen sisällä syntyvää ääntä, nykyinen äänitystapa on siis kuunnella ääntä huoneen ulkopuolella. Valitettavasti signaalin voimakkuutta heikentää huomattavasti seinämän - neuronikalvojen suodattava vaikutus.
Jotta saataisiin tarkimmat funktionaaliset lukemat esimerkiksi keinotekoisten raajojen paremman hallinnan aikaansaamiseksi, elektronisten tallennuslaitteiden on pääsy suoraan neuronien sisäpuolelle. Laajimmin käytetty tavanomainen menetelmä tähän solunsisäiseen tallennukseen on ”laastaripuristuselektrodi”: ontto lasiputki, joka on täytetty elektrolyyttiliuoksella, ja tallennuselektrodi saatetaan kosketukseen eristetyn solun kalvon kanssa. Mutta mikrometriä leveä kärki aiheuttaa soluille peruuttamattomia vaurioita. Lisäksi se voi tallentaa vain muutama solu kerrallaan.
Näiden kysymysten käsittelemiseksi kehitimme äskettäin a hiusneulan kaltainen 3D nanowire transistorijärjestelmä ja käytti sitä useiden hermosolujen solunsisäisten sähköisten aktiivisuuksien lukemiseen. Tärkeää on, että pystyimme tekemään tämän ilman tunnistettavia soluvaurioita. Nanojärjestelmämme ovat erittäin ohuita ja joustavia, ja taipuvat helposti hiusneulan muotoon - transistorit ovat vain noin 15x15x50 nanometriä. Jos neuroni olisi huoneen kokoinen, nämä transistorit olisivat oven lukon kokoisia.
Päällystettynä aineella, joka jäljittelee solukalvon tunnetta, nämä erittäin pienet, joustavat, nanojohtoiset koettimet voivat ylittää solukalvot pienellä vaivalla. Ja he voivat nauhoittaa solunsisäisen chatterin samalla tarkkuudella kuin suurin kilpailija: patch clamp -elektrodit.
On selvää, että nämä edistysaskeleet ovat tärkeitä askeleita kohti tarkkaa ja turvallista BMI-arvoa, joka on välttämätön, jos aiomme koskaan saavuttaa monimutkaisia tehtäviä, kuten aivojen välinen viestintä.
Se voi kuulostaa vähän pelottavalta, mutta viime kädessä, jos lääketieteen ammattilaisemme ymmärtävät edelleen kehomme paremmin ja auttavat meitä hoitamaan sairauksia ja elää pidempään, on tärkeää, että jatkamme nykyaikaisen tieteen rajojen siirtämistä antaaksemme heille parhaan mahdollisen mahdollisen työkalut työnsä tekemiseen. Jotta tämä olisi mahdollista, minimaalisesti tunkeutuva leikkauskohta ihmisten ja koneiden välillä on väistämätön.
Author
Yunlong Zhao, energian varastoinnin ja bioelektroniikan luennoitsija, University of Surrey
Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.
