білаМокка / Shutterstock, CC BY-SA

Кіборги - це вже не наукова фантастика. Поле інтерфейсів мозку-машини (ІМТ), в яких використовуються електроди, часто імплантовані в мозок, для перекладу нейрональної інформації в команди, здатні керувати зовнішніми системами, такими як комп'ютер або роботизована рука - фактично існують вже деякий час. Компанія підприємця Елона Маск, Neuralink, має на меті перевірити свої системи ІМТ на пацієнта людини до кінця 2020.

У перспективі пристрої ІМТ можуть допомогти відстежувати та лікувати симптоми неврологічних розладів та контролювати штучні кінцівки. Але вони також можуть надати креслення, щоб створити штучний інтелект і навіть дозволити пряму комунікацію від мозку до мозку. Однак на даний момент головним завданням є розробка ІМТ, що дозволяє уникнути пошкодження мозкової тканини та клітин під час імплантації та операції.

ІМТ існує вже більше десяти років, допомагаючи людям, які втратили здатність контролювати свої кінцівки, наприклад. Однак звичайні імплантати - часто виготовлені з кремнію - на порядок жорсткіші, ніж власне тканини мозку, що призводить до нестабільні записи та пошкодження до оточуючої тканини мозку.

Вони також можуть призвести до виникнення імунна відповідь в якому мозок відкидає імплантат. Це тому, що наш людський мозок схожий на фортецю, що охороняється, а нейроімунна система - як солдати в цій закритій фортеці - захистить нейрони (клітини мозку) від зловмисників, таких як патогени чи ІМТ.

Гнучкі пристрої

Щоб уникнути пошкодження та імунних реакцій, дослідники все частіше фокусуються на розробці так званого «гнучкого ІМТ». Вони набагато м’якші, ніж силіконові імплантати і схожі на фактичну тканину мозку.

Вафля з десятків тисяч гнучких електродів, кожен значно менший за волосся. Стів Юрветсон / Флікр, CC BY-SA

Наприклад, Neuralink зробив свій перший дизайн гнучкі “нитки” та вставки - крихітні ниткоподібні зонди, які набагато гнучкіші, ніж попередні імплантати - для зв’язку людського мозку безпосередньо з комп'ютером. Вони були розроблені, щоб мінімізувати ймовірність імунної відповіді мозку відхиляти електроди після введення під час операції на мозку.

{vembed Y=kPGa_FuGPIc}

Тим часом дослідники з Група Лібер Нещодавно в Гарвардському університеті було розроблено міні-сітчастий зонд, схожий на справжні нейрони, що мозок не може ідентифікувати самозванців. Ці біоніка натхненна електроніка складаються з платинових електродів та надтонких золотих дротів, капсульованих полімером за розмірами та гнучкістю, подібними до клітин клітин нейрона та нервових нервових волокон.

Дослідження гризунів показали, що таке нейрон-подібні зонди не викликайте імунної відповіді при введенні в мозок. Вони здатні контролювати як функцію, так і міграцію нейронів.

Переміщення в клітини

Більшість використовуваних сьогодні ІМТ приймають електричні сигнали мозку, які просочуються поза нейронів. Якщо ми думаємо про нейронний сигнал, як звук, що генерується всередині кімнати, то поточний спосіб запису полягає в тому, щоб слухати звук поза приміщенням. На жаль, інтенсивність сигналу значно знижується фільтруючим ефектом стінки - мембран нейронів.

Для досягнення найбільш точних функціональних показань, щоб створити більш високий контроль, наприклад, штучних кінцівок, електронним пристроям запису необхідно отримати прямий доступ до внутрішніх нейронів. Найбільш широко використовуваним звичайним методом цієї внутрішньоклітинної запису є "електрод-патронний затискач": порожниста скляна трубка, заповнена розчином електроліту, і записуючий електрод, що контактує з мембраною ізольованої комірки. Але мікрометровий наконечник завдає незворотної шкоди клітинам. Більше того, він може записувати лише кілька комірок одночасно.

Для вирішення цих питань ми нещодавно розробили a шпильковий транзисторний масив 3D nanowire і використовували його для читання внутрішньоклітинних електричних дій з декількох нейронів. Важливо, що нам вдалося це зробити без будь-яких ідентифікаційних пошкоджень клітин. Наші провідники надзвичайно тонкі та гнучкі, їх легко вигинати у форму шпильки - транзистори мають приблизно приблизно 15x15x50 нанометрів. Якби нейрон був розміром із кімнати, ці транзистори мали б розмір дверного замка.

Покриті речовиною, що імітує відчуття клітинної мембрани, ці ультрамалі, гнучкі, нановітрові зонди можуть з мінімальними зусиллями перетинати клітинні мембрани. І вони можуть записувати внутрішньоклітинні балаканини з тим же рівнем точності, що і їхній найбільший конкурент: електроди накладних затискачів.

Очевидно, що ці досягнення є важливими кроками на шляху до точних та безпечних ІМТ, які будуть необхідні, якщо ми коли-небудь будемо досягати складних завдань, таких як комунікація «мозок-мозок».

Це може здатися трохи страшним, але, зрештою, якщо наші медичні працівники продовжуватимуть краще розуміти наше тіло і допомагати нам лікувати хвороби та жити довше, важливо, щоб ми продовжували розширювати межі сучасної науки, щоб дати їм найкраще інструменти для виконання своєї роботи. Щоб це стало можливим, малоінвазивне перетин між людиною та машинами неминуче.

про автора

Юнлун Чжао, викладач з енергозбереження та біоелектроніки, Університет Суррей

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.