whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Cyborgs är inte längre science fiction. Fältet hjärnmaskingränssnitt (BMI) - som använder elektroder, ofta implanterade i hjärnan, för att översätta neuronal information till kommandon som kan kontrollera externa system som en dator eller robotarm - har faktiskt funnits under en längre tid. Företagaren Elon Musks företag, Neuralink, syftar till testa deras BMI-system på en mänsklig patient i slutet av 2020.

På lång sikt kan BMI-enheter hjälpa till att övervaka och behandla symtom på neurologiska störningar och kontrollera artificiella extremiteter. Men de kan också tillhandahålla en plan för att utforma konstgjord intelligens och till och med möjliggöra direkt hjärna-till-hjärna-kommunikation. För tillfället är dock den största utmaningen att utveckla BMI som undviker skada hjärnvävnad och celler under implantation och operation.

BMI har funnits i över ett decennium och hjälper människor som har tappat förmågan för att kontrollera lemmarna, till exempel. Konventionella implantat - ofta gjorda av kisel - är emellertid storleksordningar styvare än själva hjärnvävnaden, vilket leder till instabila inspelningar och skador till omgivande hjärnvävnad.

De kan också leda till en immunsvar där hjärnan avvisar implantatet. Detta beror på att vår mänskliga hjärna är som en bevakad fästning, och det neuroimmuna systemet - som soldater i denna stängda fästning - kommer att skydda neuroner (hjärnceller) från inkräktare, till exempel patogener eller BMI.

Flexibla enheter

För att undvika skador och immunsvar fokuserar forskare alltmer på utvecklingen av så kallad ”flexibel BMI”. Dessa är mycket mjukare än kiselimplantat och liknar den faktiska hjärnvävnaden.

En skiva med tiotusentals flexibla elektroder, var och en mycket mindre än ett hår. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Till exempel gjorde Neuralink sin första designade flexibla "trådar" och inlägg - små, trådliknande sonder, som är mycket mer flexibla än tidigare implantat - för att koppla en mänsklig hjärna direkt till en dator. Dessa utformades för att minimera risken för att hjärnans immunrespons avvisar elektroderna efter införande under hjärnkirurgi.

{vembed Y=kPGa_FuGPIc}

Samtidigt forskare från Lieber grupp vid Harvard University designade nyligen en minisnabbsond som ser så mycket ut som riktiga nervceller att hjärnan inte kan identifiera impostorerna. Dessa bioinspirerad elektronik består av platinaelektroder och ultratunna guldtrådar inneslutna av en polymer med storlek och flexibilitet liknande neuroncellkroppar och nerv nervfibrer.

Forskning om gnagare har visat att sådant neuronliknande sonder inte framkalla ett immunsvar när det sätts in i hjärnan. De kan övervaka både funktion och migration av nervceller.

Flyttar in i celler

De flesta BMI: er som används idag plockar upp elektriska hjärnsignaler som läcker ut utanför nervcellerna. Om vi ​​tänker på den neurala signalen som ett ljud som genereras i ett rum, är det aktuella sättet för inspelning därför att lyssna på ljudet utanför rummet. Tyvärr reduceras signalens intensitet kraftigt av väggens filtreringseffekt - neuronmembranen.

För att uppnå de mest exakta funktionella avläsningarna för att skapa större kontroll över exempelvis konstgjorda ben behöver elektroniska inspelningsanordningar få direkt tillgång till neurons inre. Den mest använda konventionella metoden för denna intracellulära inspelning är "patch clamp-elektroden": ett ihåligt glasrör fyllt med en elektrolytlösning och en inspelningselektrod som bringas i kontakt med membranet i en isolerad cell. Men en mikrometerbredd spets orsakar irreversibel skada på cellerna. Dessutom kan den bara spela in några celler i taget.

För att hantera dessa problem har vi nyligen utvecklat en hårnålliknande 3D nanotrådstransistor-array och använde den för att läsa intracellulära elektriska aktiviteter från flera neuroner. Det är viktigt att vi kunde göra detta utan någon identifierbar cellskada. Våra nanotrådar är extremt tunna och flexibla och kan lätt böjas till hårnålens form - transistorerna handlar bara om 15x15x50 nanometer. Om en neuron var storleken på ett rum skulle dessa transistorer vara ungefär lika stora som ett dörrlås.

Belagda med ett ämne som efterliknar känslan av ett cellmembran, dessa ultralilla, flexibla, nanotrådsonder kan passera cellmembranen med minimal ansträngning. Och de kan spela in intracellulärt chatter med samma precision som deras största konkurrent: patchklämmaelektroder.

Det är uppenbart att dessa framsteg är viktiga steg mot exakta och säkra BMI: er som är nödvändiga om vi någonsin ska uppnå komplexa uppgifter som hjärna-till-hjärna-kommunikation.

Det kanske låter lite skrämmande, men i slutändan, om våra läkare ska fortsätta att förstå våra kroppar bättre och hjälpa oss att behandla sjukdomar och leva längre, är det viktigt att vi fortsätter att driva gränserna för modern vetenskap för att ge dem bästa möjliga verktyg för att göra sina jobb. För att detta ska vara möjligt är en minimalt invasiv korsning mellan människor och maskiner oundviklig.

Om författaren

Yunlong Zhao, föreläsare i energilagring och bioelektronik, University of Surrey

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.