Naukowcy odkrywają, jak „Hack the Brain” bez uciekania się do chirurgii

Mnóstwo legalnej nauki - plus mnóstwo fantastyki naukowej - omawia sposoby „włamania się do mózgu”. Co to naprawdę oznacza, w większości przypadków - nawet w fikcyjnych przykładach - wiąże się z operacją, otwarciem czaszki w celu fizycznego wszczepienia drutów lub urządzeń do mózgu.

Ale to trudne, niebezpieczne i potencjalnie śmiertelne. Byłoby mądrzej pracować z mózgiem bez potrzeby otwierania czaszek pacjentów. Zaburzenia neurologiczne są powszechne, dotykając ponad miliard ludzi na całym świecie, w każdym wieku, płci i poziomów wykształcenia i dochodów. Moje badania zespołu inżynierów neuronalnych, w ramach szerszego wysiłku w dziedzinie bioinżynierii, zmierzają do zrozumienia i złagodzenia różnych dysfunkcji neurologicznych, takich jak stwardnienie rozsiane, zaburzenie ze spektrum autyzmu i choroba Alzheimera.

Możesz także polubić: Wideo pokazuje Igły mózgowe, które są testowane na ludziach

Identyfikacja i wpływanie na aktywność mózgu spoza czaszki może ostatecznie pozwolić lekarzom na diagnozowanie i leczenie szerokiego zakresu wyniszczających chorób układu nerwowego i zaburzeń psychicznych bez inwazyjnej chirurgii.

Zobacz także: Odwrócenie utraty pamięci może być możliwe przy użyciu „cząsteczek terapeutycznych”

Połączenia bezprzewodowe w mózgu

Moja grupa wierzy, że jako pierwsi odkryliśmy nowy sposób, w jaki komórki nerwowe komunikują się ze sobą. Wiadomo, że nerwy łączą się poprzez fizyczne połączenia - lub tak zwane połączenia „przewodowe” - w których aksony jednej komórki nerwowej wysyłają sygnały elektryczne i chemiczne do dendrytów sąsiedniej komórki.

Nasze badania wykazały, że komórki nerwowe komunikują się bezprzewodowo, wykorzystując aktywność przewodową do tworzenia własnych małych pól elektrycznych i wykrywając pola sąsiadujących komórek. Stwarza to możliwość wielu innych ścieżek nerwowych i może pomóc wyjaśnić, dlaczego różne części mózgu łączą się tak szybko podczas wykonywania skomplikowanych zadań.

Udało nam się monitorować te pola elektryczne spoza czaszki, skutecznie słuchając komunikacji nerwowej. Mamy nadzieję, że pomoże nam to znaleźć alternatywne, zdrowe połączenia nerwów uszkodzonych przez stwardnienie rozsiane lub przywrócić równowagę aktywności nerwów z powodu zaburzeń ze spektrum autyzmu, lub pierwszorzędnych neuronów, które będą strzelać razem w określonych wzorach i przywracać długoterminowe wspomnienia utracone w wyniku choroby Alzheimera.

W szczególności stwierdziliśmy, że izolowane lub mielinowane włókno nerwowe w mózgu jest aktywne i wysyła sygnały wzdłuż jego długości zwane potencjałami działania, specjalne obszary wzdłuż jego długości generują bardzo małe pole elektryczne. Regiony komórkowe, w których to się dzieje, zwane węzłami Ranviera, działają jak małe anteny, które mogą nadawać i odbierać sygnały elektryczne.

Każde zakłócenie dwóch wysoce wyspecjalizowanych struktur - osłonki mielinowej lub węzła Ranviera - powoduje nie tylko dysfunkcję neurologiczną, ale także zmienia się otaczające pole elektryczne.

Słuchanie nerwów

Wyzwanie technologiczne polega na precyzyjnym celowaniu w określone części mózgu, aby nasłuchiwać. Urządzenie musi odbierać sygnały z obszarów mniej więcej średnicy ludzkiego włosa, kilka centymetrów w głębi mózgu.

Jednym ze sposobów jest umieszczenie niewielkiej liczby elastycznych łat antenowych na czaszce, aby stworzyć coś, co nazywamy „soczewką mózgową”. Porównywanie odczytów z kilku łatek pozwala nam elektronicznie celować dokładnie w nerwy, aby nasłuchiwać. Projektujemy i eksperymentujemy z metamateriałami - materiałami zaprojektowanymi na poziomie molekularnym - które są szczególnie dobre w serwowaniu jako anteny o wysokiej dokładności, które mogą być dostrojone do odbierania sygnałów z bardzo konkretnych lokalizacji.

Bez bólu, ale potencjalnie wielki zysk

Słuchając komunikacji bezprzewodowej między nerwami, możemy zidentyfikować obszary mózgu, w których pola elektryczne wskazują na problemy. Szczegółowa charakterystyka działania nerwu - lub brak aktywności - może dostarczyć wskazówek na temat tego, jaki konkretny problem występuje w mózgu. Odkrycia te mogą znacznie ułatwić diagnozowanie potencjalnych stanów medycznych niż obecne metody.

Spójrz, na przykład, na rzeczywisty przypadek jednego pacjenta, 38-letniej kobiety, którą nazwiemy „Bianca”, u której zdiagnozowano stwardnienie rozsiane, chorobę zwyrodnieniową mózgu i rdzenia kręgowego, która nie ma znanego leku. Układ odpornościowy pacjentów ze stwardnieniem rozsianym uszkadza osłonkę mielinową między węzłami Ranvier, powodując problemy z komunikacją między mózgiem a resztą ciała. To uszkodzenie radykalnie zmienia aktywność w dotkniętych nerwach.

Aby monitorować postęp jej choroby, Bianca miała nakłucia kręgosłupa, aby sprawdzić, czy jej płyn rdzeniowy ma wysoki poziom poszczególnych przeciwciał związanych ze stwardnieniem rozsianym. Przeprowadziła także badania rezonansem magnetycznym, aby odkryć obszary mózgu, w których uszkodzona jest mielina, i będzie musiała przejść dodatkowe badania, aby ustalić, jak szybko informacje przepływają przez jej układ nerwowy.

Użycie urządzenia do soczewek mózgowych pozwoliłoby lekarzom monitorować mózg Bianci bez bolesnych nakłuć kręgosłupa i niewygodnych i czasochłonnych badań rezonansu magnetycznego i tomografii komputerowej. Może pewnego dnia Bianca będzie mogła monitorować swój mózg i przesyłać dane do swojego specjalisty w celu oceny.

Leczenie terapeutyczne bez leków i chirurgii

Ponadto mamy nadzieję, że nasze podejście może doprowadzić do nowych terapii, które są łatwiejsze dla pacjentów. W tej chwili Bianca bierze kilka leków, które niosą ze sobą poważne zagrożenia dla zdrowia i często sprawiają, że czuje się mdła i zmęczona. Jest jedną z wielu osób, które chcą wypróbować inną opcję terapii.

Ta praca ma wykraczać poza identyfikację regionów mózgu, w których pola elektryczne wskazują na niezdrowe warunki. Zainspirowani zarządzaniem siecią komputerową i zaawansowanymi sieciami cyfrowymi, które kierują sygnały wokół obszarów uszkodzonych lub przerwanych, opracowujemy metodę, dzięki której nasz system łatek skalpowych może również wysyłać wiadomości do mózgu.

Zobacz także: Interfejs mózg-komputer może tłumaczyć proste myśli na mowę

Każde uszkodzone włókno nerwowe jest na ogół jednym z tysięcy upakowanych razem w pasmo włókien nerwowych, w którym sąsiadujące włókna nerwowe są zazwyczaj zdrowe. Nasze urządzenie może pomóc zidentyfikować miejsca z uszkodzeniem mieliny i podążać za tymi włóknami nerwowymi z powrotem przed punktem uszkodzenia, aby odebrać ich niezakłócone sygnały. Następnie użyjemy soczewki mózgowej do przesyłania komplementarnych pól elektrycznych do mózgu, wysyłając te zdrowe sygnały do ​​obszarów wokół uszkodzenia mieliny, aby zachęcić sąsiednie włókna nerwowe do przenoszenia wiadomości, których uszkodzone włókno nie może.

Do tej pory byliśmy w stanie symulować to podejście w środowisku superkomputerowym, w którym parametry nerwów mózgowych zostały dostarczone przez kliniczne laboratoria badawcze. W nadchodzących miesiącach zbudujemy i przetestujemy prototyp soczewki mózgowej. Słuchanie w mózgu i komunikowanie się z nim oferuje fascynujący nowy zestaw możliwości diagnostyki medycznej i leczenia bez operacji.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Salvatore Domenic Morgera. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.