whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Киборги больше не являются научной фантастикой. Область интерфейсов мозг-машина (ИМТ), в которой используются электроды, часто имплантированные в мозг, для преобразования нейронной информации в команды, способные управлять внешними системами, такими как компьютер или роботизированная рука, фактически существует уже некоторое время. Компания Neuralink предпринимателя Элона Маск нацелена на проверить свои системы ИМТ на человека-пациента к концу 2020.

В долгосрочной перспективе устройства ИМТ могут помочь контролировать и лечить симптомы неврологических расстройств и контролировать протезы. Но они также могут обеспечить проект для создания искусственного интеллекта и даже обеспечить прямую связь между мозгом. Однако в настоящее время основной задачей является разработка ИМТ, которые позволяют избежать повреждения тканей и клеток головного мозга во время имплантации и операции.

ИМТ существуют уже более десяти лет, помогая людям, которые потеряли способность контролировать свои конечности, например. Тем не менее, обычные имплантаты - часто сделанные из кремния - на несколько порядков жестче реальной ткани мозга, что приводит к нестабильные записи и повреждения в окружающие ткани мозга.

Они также могут привести к иммунная реакция в котором мозг отклоняет имплантат. Это потому, что наш человеческий мозг подобен охраняемой крепости, а нейроиммунная система - как солдаты в этой закрытой крепости - будет защищать нейроны (клетки мозга) от вторжений, таких как патогены или ИМТ.

Гибкие устройства

Чтобы избежать повреждений и иммунных реакций, исследователи все больше внимания уделяют разработке так называемого «гибкого ИМТ». Они намного мягче, чем силиконовые имплантаты и похожи на ткани мозга.

Пластина из десятков тысяч гибких электродов, каждый намного меньше, чем волос. Стив Джурветсон / Flickr, CC BY-SA

Например, Neuralink сделал свой первый дизайн гибкие «нити» и вставка - крошечные нитевидные зонды, которые гораздо более гибкие, чем предыдущие имплантаты, - чтобы напрямую связать человеческий мозг с компьютером. Они были разработаны, чтобы минимизировать вероятность того, что иммунный ответ мозга отклонит электроды после введения во время операции на головном мозге.

{vembed Y = kPGa_FuGPIc}

Между тем, исследователи из Группа либер Недавно в Гарвардском университете был разработан мини-зонд, который настолько похож на настоящие нейроны, что мозг не может идентифицировать самозванцев. Эти био-вдохновленная электроника состоят из платиновых электродов и ультратонких золотых проводов, инкапсулированных полимером с размерами и гибкостью, подобными корпусам нейронных клеток и нервным нервным волокнам.

Исследования на грызунах показали, что такие нейроноподобные зонды не вызывать иммунный ответ при введении в мозг. Они способны контролировать как функцию, так и миграцию нейронов.

Переезд в клетки

Большинство ИМТ, используемых сегодня, улавливают электрические сигналы мозга, которые просачиваются за пределы нейронов. Если мы думаем о нейронном сигнале как о звуке, генерируемом в комнате, то, следовательно, текущий способ записи состоит в том, чтобы прослушивать звук за пределами комнаты. К сожалению, интенсивность сигнала значительно снижается за счет фильтрующего эффекта стенки - мембран нейронов.

Для достижения наиболее точных функциональных показаний с целью лучшего контроля, например, протезов, электронные записывающие устройства должны получить прямой доступ к внутренней части нейронов. Наиболее широко используемым традиционным методом для этой внутриклеточной записи является «пластырь-зажим»: полая стеклянная трубка, заполненная раствором электролита, и записывающий электрод, приводимый в контакт с мембраной изолированной ячейки. Но наконечник шириной в микрометр наносит необратимый ущерб клеткам. Более того, он может записывать только несколько ячеек одновременно.

Для решения этих проблем мы недавно разработали шпилевидная матрица 3D с нанопроволоками и использовал его для чтения внутриклеточной электрической активности от нескольких нейронов. Важно отметить, что мы смогли сделать это без каких-либо видимых повреждений клеток. Наши нанопроволоки чрезвычайно тонкие и гибкие, легко изгибаются в форме шпильки - транзисторы имеют размер всего около 15x15x50 нанометров. Если бы нейрон был размером с комнату, эти транзисторы были бы размером с дверной замок.

Эти ультрамалые, гибкие нанопроволочные зонды, покрытые веществом, имитирующим ощущение клеточной мембраны, могут с минимальными усилиями пересекать клеточные мембраны. И они могут записывать внутриклеточную болтовню с той же степенью точности, что и их основной конкурент: электроды с зажимными зажимами.

Очевидно, что эти достижения являются важными шагами на пути к точным и безопасным ИМТ, которые будут необходимы, если мы когда-нибудь решим сложные задачи, такие как обмен информацией между мозгом.

Это может звучать немного страшно, но, в конечном счете, если наши медицинские работники будут продолжать лучше понимать наши тела и помогать нам лечить болезни и жить дольше, важно, чтобы мы продолжали раздвигать границы современной науки, чтобы дать им как можно больше инструменты, чтобы делать свою работу. Чтобы это было возможно, минимально инвазивное пересечение между людьми и машинами неизбежно.

Об авторе

Юньлун Чжао, лектор по накоплению энергии и биоэлектронике, Университет Суррея

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.