Forskere oppdager hvordan å "Hack the Brain" uten å dirigere til kirurgi

Massevis av legitim vitenskap - i tillegg til en hel del science fiction - drøfter måter å "hacke hjernen". Det som egentlig betyr, det meste av tiden - selv i de fiktive eksemplene - involverer kirurgi, åpner skallen til implantatledninger eller enheter fysisk inn i hjernen.

Men det er vanskelig, farlig og potensielt dødelig. Det ville være smartere å jobbe med hjernen uten å måtte åpne pasientens hodeskaller. Neurologiske lidelser er vanlige, og påvirker mer enn en milliard mennesker over hele verden, i alle aldre, kjønn, og utdannings- og inntektsnivåer. Mitt neurale ingeniørteam s forskning, som en del av en bredere innsats på bioengineering-disiplinen, arbeider for å forstå og lette forskjellige nevrologiske dysfunksjoner, som for eksempel multippel sklerose, autismespektrumforstyrrelse og Alzheimers sykdom.

Du kan også like: Video Shows Brain Needle som blir testet på mennesker

Identifisering og påvirkning av hjerneaktivitet fra utsiden av kraniet kunne til slutt tillate leger å diagnostisere og behandle et bredt spekter av svekkende nervesystemsykdommer og psykiske lidelser uten invasiv kirurgi.

Se også: Omvendt minnefeil kan være mulig ved bruk av "terapeutiske molekyler"

Trådløse forbindelser i hjernen

Min gruppe mener at vi er de første som har oppdaget en ny måte at nerveceller kommuniserer med hverandre. Nervene er velkjente for å koble sammen gjennom fysiske koblinger - eller hva som kan kalles "kablede" forbindelser - der aksonene til en nervecelle sender elektriske og kjemiske signaler til dendrittene til en nærliggende celle.

Vår forskning har funnet ut at nerveceller også kommuniserer trådløst, ved å bruke den kablede aktiviteten for å lage små elektriske felt av seg selv, og å føle feltene som nabokjeller oppretter. Dette skaper muligheten for mange flere nevrale veier, og kan bidra til å forklare hvorfor ulike deler av hjernen knyttes så raskt under utførelsen av kompliserte oppgaver.

Vi har vært i stand til å overvåke disse elektriske feltene utenfor hodeskallen, og effektivt lytter inn på nervekommunikasjon. Vi håper det vil hjelpe oss med å finne alternative, sunne forbindelser for nerver som er skadet av multippel sklerose, eller å balansere nerveaktivitet på grunn av autismespektrumforstyrrelse, eller primære nevroner å brenne sammen i bestemte mønstre og gjenopprette langsiktige minner som er tapt som følge av Alzheimers sykdom.

Spesielt har vi funnet når en isolert eller myelinert nervefiber i hjernen er aktiv og sender signaler langs sin lengde kjent som handlingspotensialer, genererer spesielle områder langs sin lengde et meget lite elektrisk felt. De cellulære områdene hvor dette skjer, kalles nodene til Ranvier, fungerer som små antenner som kan overføre og motta elektriske signaler.

Enhver forstyrrelse av de to svært spesialiserte strukturene - myelinskjeden eller noden til Ranvier - resulterer ikke bare i nevrologisk dysfunksjon, men også det omgivende elektriske feltet endres.

Lytter til nerver

Den teknologiske utfordringen innebærer nettopp å målrette bestemte deler av hjernen for å lytte inn på. Enheten må motta signaler fra områder som omtrent er diameteren av et menneskehår, flere centimeter dypt inne i hjernen.

En måte er å plassere et lite antall fleksible antenneplaster på skallen for å lage det vi kaller en "hjernelinsen". Sammenligning av lesinger fra flere patcher lar oss elektronisk målrette nøyaktig nerver for å høre på. Vi designer og eksperimenterer med metamaterialer - materialer konstruert på molekylivå - som er spesielt gode til å betjene som høy nøyaktighet antenner som kan innstilles for å motta signaler fra svært bestemte steder.

Ingen smerte, men potensielt stor gevinst

Ved å lytte inn på trådløs kommunikasjon mellom nerver, kan vi identifisere områder av hjernen der de elektriske feltene indikerer at det er problemer. De detaljerte egenskapene til en nerves aktivitet - eller mangel på aktivitet - kan gi ledetråder om hvilket spesifikt problem som oppstår i hjernen. Disse funnene kan bidra til å diagnostisere potensielle medisinske forhold langt lettere enn dagens metoder.

Se for eksempel på den faktiske tilfelle av en pasient, en 38 år gammel kvinne, vi kaller "Bianca", som har blitt diagnostisert med multippel sklerose, en degenerativ sykdom i hjernen og ryggmargen som ikke har kjent kur. Multiple sclerosis pasienters immunsystem beskytter myelinskjeden mellom nodene til Ranvier, noe som forårsaker kommunikasjonsproblemer mellom hjernen og resten av kroppen. Denne skaden endrer radikalt aktiviteten i de berørte nervene.

For å overvåke utviklingen av sykdommen hennes, har Bianca hatt spinalkraner for å se om hennes spinalvæske har høye nivåer av spesielle antistoffer assosiert med MS. Hun har også hatt MR-skanning for å avsløre områdene i hjernen der myelin er skadet, og vil møte ytterligere testing for å avgjøre hvor raskt informasjonen flyter gjennom nervesystemet.

Ved hjelp av en hjernen linse enhet ville la legene overvåke Bianca hjerne uten smertefulle spinal kraner og ubehagelig og tidkrevende MR og CT skanner. Det kan noen dag tillate Bianca å overvåke sin egen hjerne og sende dataene til sin spesialist for evaluering.

Terapeutisk behandling uten medisiner og kirurgi

I tillegg håper vi at vår tilnærming kan føre til nye terapier som også er lettere på pasienter. I øyeblikket tar Bianca flere stoffer som bærer betydelige helserisiko, og gjør henne ofte kvalme og utmattet. Hun er en av mange, som ønsker å prøve et annet terapialternativ.

Dette arbeidet planlegger å gå utover å identifisere regionene i hjernen der de elektriske feltene indikerer usunne forhold. Inspirert av datanettverksadministrasjon og avanserte digitale nettverk, hvilken rute signalerer rundt områder som er skadet eller avbrutt, utvikler vi en metode der vårt hodebunnssystem kan sende meldinger til hjernen også.

Se også: Et hjernedatamaskingrensesnitt kan oversette enkle tanker til tale

Hver skadet nervefiber er vanligvis tusenvis pakket sammen til en nervefibre hvor nervefibre er nærliggende. Enheten vår kan hjelpe til med å identifisere steder med myelinskader og følge disse nervefibrene tilbake før skadet, for å plukke opp uforstyrrede signaler. Da ville vi bruke hjernelinsen til å sende komplementære elektriske felt inn i hjernen, sende de sunne signalene til områdene rundt myelinskaden, for å oppmuntre nervefibre til å bære meldingene den skadede fiberen ikke kan.

Hittil har vi vært i stand til å simulere denne tilnærmingen i et super-computermiljø hvor hjernens nerveparametere har blitt gitt av kliniske laboratorier. I de kommende månedene vil vi bygge og teste en prototype av hjernelinsen. Lytte til hjernen og kommunisere med det gir et fascinerende nytt sett med muligheter for medisinsk diagnose og behandling uten kirurgi.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Salvatore Domenic Morgera. Les den opprinnelige artikkelen her.