hvidMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Cyborgs er ikke længere science fiction. Feltet med hjernemaskine-grænseflader (BMI) - som bruger elektroder, ofte implanteret i hjernen, til at oversætte neuronal information til kommandoer, der er i stand til at kontrollere eksterne systemer såsom en computer eller en robotarm - har faktisk eksisteret i nogen tid. Iværksætter Elon Musks firma, Neuralink, sigter mod at test deres BMI-systemer på en menneskelig patient inden udgangen af ​​2020.

På lang sigt kan BMI-enheder hjælpe med at overvåge og behandle symptomer på neurologiske lidelser og kontrollere kunstige lemmer. Men de kunne også give en plan til at designe kunstig intelligens og endda muliggøre direkte hjerne-til-hjerne-kommunikation. Indtil videre er den største udfordring at udvikle BMI'er, der undgår at beskadige hjernevæv og celler under implantation og operation.

BMI'er har eksisteret i over et årti og hjulpet folk, der har mistet evnen at kontrollere deres lemmer, for eksempel. Imidlertid er konventionelle implantater - ofte lavet af silicium - størrelsesordener stivere end det faktiske hjernevæv, hvilket fører til ustabile optagelser og skader til det omgivende hjernevæv.

De kan også føre til en immunrespons hvor hjernen afviser implantatet. Dette skyldes, at vores menneskelige hjerne er som en beskyttet fæstning, og det neuroimmune system - som soldater i denne lukkede fæstning - vil beskytte neuroner (hjerneceller) mod ubudne gæster, såsom patogener eller BMI.

Fleksible enheder

For at undgå skader og immunresponser fokuserer forskere i stigende grad på udviklingen af ​​såkaldt “fleksibelt BMI”. Disse er meget blødere end siliciumimplantater og ligner faktisk hjernevæv.

En skive med titusinder af fleksible elektroder, hver meget mindre end et hår. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

For eksempel lavede Neuralink sit første designet fleksible “tråde” og indsættelse - små, trådlignende sonder, som er meget mere fleksible end tidligere implantater - for at forbinde en menneskelig hjerne direkte til en computer. Disse blev designet til at minimere chancen for, at hjernens immunrespons afviser elektroderne efter indsættelse under hjernekirurgi.

{vembed Y=kPGa_FuGPIc}

I mellemtiden forskere fra Lieber-gruppen ved Harvard University designet for nylig en mini-mesh-probe, der ligner rigtige neuroner, at hjernen ikke kan identificere bedragere. Disse bioinspireret elektronik består af platinelektroder og ultratynde guldtråde indkapslet af en polymer med størrelse og fleksibilitet svarende til neuroncellelegemer og neurale nervefibre.

Forskning på gnavere har vist, at sådan neuronlignende sonder fremkald ikke et immunrespons, når det indsættes i hjernen. De er i stand til at overvåge både neurons funktion og migration.

Flytter ind i celler

De fleste BMI'er, der anvendes i dag, opfanger elektriske hjernesignaler, der lækkes uden for neuronerne. Hvis vi tænker på det neurale signal som en lyd, der genereres inde i et rum, er den nuværende måde at optage på at lytte til lyden uden for rummet. Desværre reduceres signalets intensitet kraftigt af væggens filtreringseffekt - neuronmembranerne.

For at opnå de mest nøjagtige funktionelle aflæsninger for at skabe større kontrol over for eksempel kunstige lemmer, skal elektroniske optageapparater få direkte adgang til det indre af neuroner. Den mest anvendte konventionelle metode til denne intracellulære optagelse er "patch clamp electrode": et hulglasrør fyldt med en elektrolytopløsning og en registreringselektrode bragt i kontakt med membranen i en isoleret celle. Men en mikrometer bred spids forårsager uoprettelig skade på cellerne. Hvad mere er, det kan kun registrere et par celler ad gangen.

For at løse disse problemer har vi for nylig udviklet en hårnål-lignende 3D nanotråd transistor array og brugte den til at læse intracellulære elektriske aktiviteter fra flere neuroner. Det er vigtigt, at vi var i stand til at gøre dette uden nogen identificerbar cellulær skade. Vores nanotråde er ekstremt tynd og fleksibel og bøjes let i hårnålsformen - transistorer er kun ca. 15x15x50 nanometer. Hvis en neuron var på størrelse med et rum, ville disse transistorer være på størrelse med en dørlås.

Disse ultralette, fleksible nanotrådsonder er overtrukket med et stof, der efterligner følelsen af ​​en cellemembran, og kan krydse cellemembranerne med minimal indsats. Og de kan optage intracellulært snak med det samme præcisionsniveau som deres største konkurrent: patchklemmeelektroder.

Det er klart, at disse fremskridt er vigtige skridt mod nøjagtige og sikre BMI'er, der er nødvendige, hvis vi nogensinde skal opnå komplekse opgaver som hjerne-til-hjerne-kommunikation.

Det lyder måske lidt skræmmende, men i sidste ende, hvis vores medicinske fagfolk fortsætter med at forstå vores kroppe bedre og hjælpe os med at behandle sygdomme og leve længere, er det vigtigt, at vi fortsætter med at skubbe grænserne for moderne videnskab for at give dem den bedst mulige værktøjer til at udføre deres job. For at dette skal være muligt, er et minimalt invasivt kryds mellem mennesker og maskiner uundgåeligt.

Om forfatteren

Yunlong Zhao, lektor i energilagring og bioelektronik, University of Surrey

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.