Zinātnieki Atklājiet, kā „Hack Brain” bez ķirurģijas

Daudzas likumīgas zinātnes - kā arī daudzas zinātniskās fantastikas - apspriež veidus, kā „iebrukt smadzenes.” Ko tas nozīmē, lielāko daļu laika - pat izdomātos piemēros - ietver operāciju, galvaskausa atvēršanu, lai implantētu vadus vai ierīces fiziski. smadzenēs.

Bet tas ir grūti, bīstami un potenciāli nāvējoši. Būtu gudrāk strādāt ar smadzenēm bez nepieciešamības atvērt pacientu galvaskausus. Neiroloģiskie traucējumi ir bieži sastopami, kas skar vairāk nekā miljardu cilvēku visā pasaulē, visu vecumu, dzimumu un izglītības un ienākumu līmeni. Mana neironu inženieru komandas pētījums, kas ir daļa no plašākas pūles visā bioinženierijas disciplīnā, ir darbs, lai izprastu un atvieglotu dažādas neiroloģiskas disfunkcijas, piemēram, multiplā skleroze, autisma spektra traucējumi un Alcheimera slimība.

Jums varētu patikt arī: Video rāda smadzeņu adatu, kas tiek pārbaudīta uz cilvēkiem

Smadzeņu aktivitātes noteikšana un ietekmēšana ārpus galvaskausa galu galā ļautu ārstiem diagnosticēt un ārstēt dažādas novājinošas nervu sistēmas slimības un garīgus traucējumus bez invazīvas operācijas.

Skatiet arī: Atmiņas zuduma maiņa var būt iespējama, lietojot “terapeitiskās molekulas”

Bezvadu savienojumi smadzenēs

Mana grupa uzskata, ka mēs esam pirmie, kas esam atklājuši jaunu veidu, kā nervu šūnas savstarpēji sazinās. Nervi ir labi zināmi, ka tie savienojas ar fiziskām saitēm - vai to, ko varētu saukt par “vadu” savienojumiem, kuros vienas nervu šūnas axons sūta elektriskos un ķīmiskos signālus kaimiņu šūnu dendritos.

Mūsu pētījumi ir atklājuši, ka nervu šūnas arī sazinās bezvadu režīmā, izmantojot vadu darbību, lai radītu pašiem savus nelielos elektriskos laukus un uztvertu blakus esošo šūnu laukus. Tas rada daudz vairāk neironu ceļu un var palīdzēt izskaidrot, kāpēc dažādas smadzeņu daļas ir tik ātri savienotas sarežģītu uzdevumu izpildes laikā.

Mēs esam spējuši pārraudzīt šos elektriskos laukus ārpus galvaskausa, efektīvi uzklausot nervu sakarus. Mēs ceram, ka tas palīdzēs mums atrast alternatīvus, veselīgus savienojumus nervu sistēmai, ko bojā multiplā skleroze, vai atjaunot nervu aktivitāti, kas radusies autisma spektra traucējumu dēļ, vai primāri neironus sadegt kopā konkrētos modeļos un atjaunot Alzheimera slimības rezultātā zaudētās ilgtermiņa atmiņas.

Konkrētāk, mēs esam noskaidrojuši, ka smadzeņu izolētā vai mielīnizētā nervu šķiedra ir aktīva un sūta signālus gar tā garumu, kas pazīstams kā darbības potenciāls, īpaši reģioni gar tā garumu rada ļoti nelielu elektrisko lauku. Šūnu reģioni, kuros tas notiek, ko sauc par Ranvier mezgliem, darbojas kā mazas antenas, kas var pārraidīt un saņemt elektriskos signālus.

Jebkurš divu ļoti specializētu struktūru - mielīna apvalka vai Ranvier mezgla - bojājums ne tikai rada neiroloģisku disfunkciju, bet arī apkārtējo elektriskā lauka izmaiņas.

Klausoties nervus

Tehnoloģiskais izaicinājums ietver precīzu mērķa noteikšanu smadzeņu atsevišķām daļām, lai uzklausītu. Ierīcei jāsaņem signāli no apvidiem aptuveni cilvēka matu diametra, vairāku centimetru dziļumā smadzenēs.

Viens no veidiem ir novietot nelielu skaitu elastīgu antenas plāksteri uz galvaskausa, lai radītu to, ko mēs saucam par „smadzeņu lēcu”. Salīdzinot vairāku plāksteru rādījumus, mēs varam elektroniski mērķēt tieši nervus, lai uzklausītu. Mēs projektējam un eksperimentējam ar metamateriāliem - materiāliem, kas konstruēti molekulārā līmenī - kas ir īpaši labi, lai kalpotu kā augstas precizitātes antenas, kuras var noregulēt, lai saņemtu signālus no ļoti specifiskām vietām.

Nav sāpju, bet potenciāli liels ieguvums

Klausoties par bezvadu sakariem starp nerviem, mēs varam noteikt smadzeņu zonas, kurās elektriskie lauki norāda uz problēmām. Nervu darbības detalizētās īpašības - vai aktivitātes trūkums - var piedāvāt norādes par to, kas ir smaga smadzeņu problēma. Šie konstatējumi var palīdzēt daudz vieglāk diagnosticēt iespējamos medicīniskos apstākļus nekā pašreizējās metodes.

Piemēram, vienā pacienta gadījumā, 38 gadus vecai sievietei, mēs izsauksim „Bianca”, kam ir diagnosticēta multiplā skleroze, smadzeņu un muguras smadzeņu deģeneratīva slimība, kurai nav zināma izārstēšanās. Vairāku sklerozes pacientu imūnsistēma sabojā mielīna apvalku starp Ranvier mezgliem, izraisot saziņas problēmas starp smadzenēm un pārējo ķermeņa daļu. Šis kaitējums radikāli maina aktivitāti skartajos nervos.

Lai pārraudzītu slimības progresu, Bianca bija muguras krāni, lai noskaidrotu, vai viņas mugurkaula šķidrumam ir augsts konkrētu antivielu līmenis, kas saistīts ar MS. Viņa ir arī pārbaudījusi MRI, lai atklātu tās smadzeņu zonas, kurās ir bojāts mielīns, un būs jāpārbauda, ​​kā ātri noskaidrot, cik ātri informācija plūst caur nervu sistēmu.

Izmantojot smadzeņu lēcas ierīci, ārsti varētu uzraudzīt Bianca smadzenes bez sāpīgām muguras krāniem un neērtiem un laikietilpīgiem MRI un CT skenējumiem. Tas var kādu dienu ļaut Bianca kontrolēt savu smadzenes un nosūtīt datus viņas speciālistam novērtēšanai.

Terapeitiskā ārstēšana bez narkotikām un ķirurģijām

Turklāt mēs ceram, ka mūsu pieeja var novest pie jaunām terapijām, kas arī ir vieglākas pacientiem. Šobrīd Bianca lieto vairākas zāles, kas rada ievērojamu risku veselībai un bieži vien liek justies slikta dūša un noguruma dēļ. Viņa ir viena no daudzām, kas vēlas izmēģināt citu terapijas iespēju.

Šis darbs plāno iet tālāk par tās smadzeņu reģionu noteikšanu, kur elektriskie lauki norāda uz neveselīgiem apstākļiem. Iedvesmojoties no datortīklu pārvaldības un progresīviem digitālajiem tīkliem, kas novirza signālus ap bojātajām vai pārtrauktajām zonām, mēs izstrādājam metodi, ar kuras palīdzību mūsu galvas ādas plākstera sistēma var nosūtīt arī ziņojumus smadzenēs.

Skatiet arī: Brain-Computer interfeiss var pārvērst vienkāršās domas uz runu

Katra bojātā nervu šķiedra parasti ir viena no tūkstošiem, kas iepakoti nervu šķiedru traktā, kur blakus esošās nervu šķiedras parasti ir veselīgas. Mūsu ierīce var palīdzēt noteikt vietas ar mielīna bojājumiem un sekot šīm nervu šķiedrām pirms bojājuma vietas, lai paņemtu savus netraucētos signālus. Tad mēs izmantojam smadzeņu lēcu, lai smadzenēs nosūtītu papildu elektriskos laukus, nosūtot šos veselīgos signālus uz nišu bojājumiem, lai veicinātu blakus esošās nervu šķiedras, lai pārnestu bojātās šķiedras ziņojumus.

Līdz šim mēs esam spējuši simulēt šo pieeju superdatoru vidē, kur klīnisko pētījumu laboratorijas ir nodrošinājušas smadzeņu nervu parametrus. Nākamajos mēnešos mēs izveidosim un pārbaudīsim smadzeņu lēcas prototipu. Klausoties smadzenēs un sazinoties ar to, piedāvā aizraujošu jaunu iespēju klāstu medicīniskai diagnostikai un ārstēšanai bez operācijas.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Salvatore Domenic Morgera sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.