Para Ilmuwan Temui Cara "Mengganggu Otak" Tanpa Melibatkan Pembedahan

Banyak sains yang sah - ditambah pula dengan banyak fiksyen sains - membincangkan cara-cara untuk "meretas otak." Yang benar-benar bermakna, kebanyakan masa - walaupun dalam contoh-contoh fiksyen - melibatkan pembedahan, membuka tengkorak untuk memasang wayar atau peranti secara fizikal ke dalam otak.

Tetapi itu sukar, berbahaya, dan berpotensi mematikan. Ia lebih bijak untuk bekerja dengan otak tanpa perlu membuka tengkorak pesakit. Gangguan neurologi adalah perkara biasa, yang menjejaskan lebih daripada satu bilion orang di seluruh dunia, dari semua peringkat umur, jantina, dan tahap pendidikan dan pendapatan. Penyelidikan pasukan kejuruteraan saraf saya, sebagai sebahagian daripada usaha yang lebih meluas disiplin bioengineering, berusaha ke arah pemahaman dan pelonggaran pelbagai disfungsi saraf, seperti pelbagai sklerosis, gangguan spektrum autisme, dan penyakit Alzheimer.

Anda mungkin juga suka: Video Menunjukkan jarum otak yang sedang diuji pada manusia

Mengenalpasti dan mempengaruhi aktiviti otak dari luar tengkorak akhirnya boleh membenarkan doktor untuk mendiagnosis dan merawat pelbagai penyakit sistem saraf yang melemahkan dan gangguan mental tanpa pembedahan invasif.

Lihat juga: Mengurangkan Rugi Memori Mungkin Mungkin Dengan Penggunaan "Molekul Terapeutik"

Sambungan Tanpa Wayar Dalam Otak

Kumpulan saya percaya bahawa kita adalah orang pertama yang menemui sel saraf cara baru berkomunikasi antara satu sama lain. Saraf dikenali untuk menyambung melalui hubungan fizikal - atau apa yang boleh dipanggil "kabel" sambungan - di mana axons satu sel saraf menghantar isyarat elektrik dan kimia kepada dendrit dari sel jiran.

Penyelidikan kami telah mendapati bahawa sel-sel saraf juga berkomunikasi secara wayarles, dengan menggunakan aktiviti berwayar untuk menghasilkan medan elektrik yang kecil sendiri, dan merasakan bidang-bidang jiran sel yang dicipta. Ini mewujudkan kemungkinan banyak laluan neural dan boleh membantu menjelaskan mengapa bahagian-bahagian otak yang berbeza menyambung begitu cepat semasa melaksanakan tugas rumit.

Kami telah dapat memantau bidang elektrik ini dari luar tengkorak, mendengar secara efektif mengenai komunikasi saraf. Kami berharap dapat membantu kami mencari sambungan silih berganti, saraf yang saraf yang rosak oleh sklerosis berganda, atau mengimbangi aktiviti saraf akibat gangguan spektrum autisme, atau neuron utama untuk menyala bersama dalam pola tertentu dan memulihkan kenangan jangka panjang yang hilang akibat penyakit Alzheimer.

Khususnya, kami telah menemui apabila serat saraf terlindung, myelinated di otak aktif dan menghantar isyarat sepanjang panjangnya dikenali sebagai potensi tindakan, wilayah khusus sepanjang panjangnya menjana medan elektrik yang sangat kecil. Kawasan selular di mana ini berlaku, yang dikenali sebagai nod Ranvier, bertindak seperti antena kecil yang boleh menghantar dan menerima isyarat elektrik.

Apa-apa gangguan kedua-dua struktur yang sangat khusus - sarung myelin atau nod Ranvier - bukan sahaja menyebabkan disfungsi neurologi, tetapi perubahan medan elektrik juga berlaku.

Mendengarkan Saraf

Cabaran teknologi melibatkan tepat menyasarkan bahagian otak tertentu untuk didengar. Peranti mesti menerima isyarat dari kawasan kira-kira diameter rambut manusia, beberapa sentimeter jauh di dalam otak.

Salah satu cara adalah untuk meletakkan sebilangan kecil patch antena fleksibel pada tengkorak untuk membuat apa yang kita sebut sebagai "lensa otak." Membanding bacaan dari beberapa patch membolehkan kita menyasarkan secara tepat saraf untuk mendengar terus. Kami sedang merekabentuk dan bereksperimen dengan bahan metamaterials - bahan kejuruteraan di peringkat molekul - yang sangat baik untuk berkhidmat sebagai antena ketepatan tinggi yang dapat ditala untuk menerima isyarat dari lokasi yang sangat spesifik.

Tiada Kesakitan, tetapi Keuntungan yang Berpotensi Besar

Dengan mendengar dalam komunikasi wayarles antara saraf, kita boleh mengenal pasti bidang otak di mana medan elektrik menunjukkan terdapat masalah. Ciri-ciri terperinci aktiviti saraf - atau kekurangan aktiviti - boleh memberi petunjuk mengenai masalah tertentu yang berlaku di dalam otak. Penemuan ini boleh membantu mendiagnosis keadaan perubatan yang berpotensi jauh lebih mudah daripada kaedah semasa.

Misalnya, pada kes sebenar seorang pesakit, seorang wanita berusia 38 tahun yang kita panggil "Bianca," yang telah didiagnosis dengan multiple sclerosis, penyakit degeneratif otak dan saraf tunjang yang tidak diketahui. Sistem imun pesakit pelbagai sklerosis merosakkan sarung myelin antara nod Ranvier, menyebabkan masalah komunikasi antara otak dan seluruh badan. Kerosakan ini secara radikal mengubah aktiviti dalam saraf yang terjejas.

Untuk memantau kemajuan penyakitnya, Bianca telah mempunyai keran tulang belakang untuk melihat apakah cairan tulang belakangnya mempunyai antibodi tertentu yang berkaitan dengan MS. Dia juga mempunyai imbasan MRI untuk mendedahkan kawasan otaknya di mana myelin rosak, dan akan menghadapi ujian tambahan untuk menentukan bagaimana maklumat pantas mengalir melalui sistem sarafnya.

Menggunakan alat kanta otak akan membiarkan doktor memantau otak Bianca tanpa keran tulang belakang yang menyakitkan dan MRI yang tidak selesa dan memakan masa dan imbasan CT. Ia mungkin beberapa hari membolehkan Bianca memantau otaknya sendiri dan menghantar data kepada pakar untuk penilaiannya.

Rawatan Terapi Tanpa Dadah dan Pembedahan

Di samping itu, kami berharap pendekatan kami dapat membawa kepada terapi baru yang juga lebih mudah pada pesakit. Pada masa ini, Bianca sedang mengambil beberapa ubat yang membawa risiko kesihatan yang ketara dan sering membuatnya berasa mual dan penat. Beliau adalah salah seorang daripada ramai, yang ingin mencuba pilihan terapi yang berbeza.

Kerja ini merancang untuk melampaui mengenalpasti kawasan otaknya di mana medan elektrik menunjukkan keadaan tidak sihat. Diilhamkan oleh pengurusan rangkaian komputer dan rangkaian digital canggih, yang memberi isyarat laluan di sekitar kawasan yang rosak atau terganggu, kami sedang mengembangkan satu kaedah yang sistem patch kulit kepala kami dapat menghantar mesej ke dalam otak juga.

Lihat juga: Antara Muka Otak-Komputer Boleh Menerjemahkan Pikiran Mudah Ke Ucapan

Setiap serat saraf yang rosak pada umumnya beribu-ribu dikemas bersama ke dalam serat serat saraf di mana gentian saraf tetangga biasanya sihat. Peranti kami boleh membantu mengenal pasti tapak dengan kerosakan myelin dan mengikuti gentian saraf itu kembali sebelum titik kerosakan, untuk mengambil isyarat mereka yang tidak terganggu. Kemudian kita akan menggunakan lensa otak untuk menghantar medan elektrik pelengkap ke otak, menghantar isyarat yang sihat ke kawasan di sekitar kerosakan myelin, untuk menggalakkan gentian saraf jiran untuk membawa mesej serat yang rosak tidak boleh.

Setakat ini, kami dapat mensimulasikan pendekatan ini dalam persekitaran pengkomputeran super di mana parameter saraf otak telah disediakan oleh makmal penyelidikan klinikal. Pada bulan-bulan akan datang, kami akan membina dan menguji prototaip lensa otak. Mendengar ke otak dan berkomunikasi dengannya menawarkan satu set baru kemungkinan yang menakjubkan untuk diagnosis dan rawatan perubatan tanpa pembedahan.

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan oleh Salvatore Domenic Morgera. Baca artikel asal di sini.