Учените откриват как да "хакнат мозъка", без да прибягват до хирургия

Много легитимни науки - плюс много научна фантастика - обсъждат начини за „проникване в мозъка“. Какво всъщност означава това, по-голямата част от времето - дори в измислените примери - включва операция, отваряне на черепа, за да се имплантират жици или устройства физически. в мозъка.

Но това е трудно, опасно и потенциално смъртоносно. Би било по-умно да работим с мозъка, без да се налага да отваряме черепите на пациентите. Неврологичните разстройства са често срещани, засягащи повече от един милиард души по света, от всички възрасти, полове и образователни нива и доходи. Проучванията на моя екип от невронни инженери, като част от по-широко усилие в дисциплината на биоинженерството, работят за разбиране и облекчаване на различни неврологични дисфункции, като множествена склероза, разстройство от аутистичния спектър и болест на Алцхаймер.

Може също така да харесате: Видео показва мозъчна игла, която се тества на хора

Идентифицирането и влиянието върху мозъчната дейност отвън на черепа може в крайна сметка да позволи на лекарите да диагностицират и лекуват широк спектър от заболявания на нервната система и психични разстройства без инвазивна хирургия.

Вижте също: Загубата на паметта в заден ход може да бъде възможна с използването на “Терапевтични молекули”

Безжични връзки в мозъка

Моята група смята, че ние сме първите, които са открили нов начин, по който нервните клетки общуват помежду си. Известно е, че нервите се свързват чрез физически връзки - или това, което може да се нарече "жична" връзка - в която аксоните на една нервна клетка изпращат електрически и химически сигнали към дендритите на съседна клетка.

Нашите изследвания са открили, че нервните клетки също комуникират безжично, като използват жичната дейност, за да създадат свои собствени малки електрически полета и да усетят какви полета създават съседните клетки. Това създава възможност за много повече невронни пътища и може да помогне да се обясни защо различните части на мозъка се свързват толкова бързо по време на изпълнението на сложни задачи.

Успяхме да наблюдаваме тези електрически полета отвън на черепа, ефективно да слушаме нервните комуникации. Надяваме се, че ще ни помогне да намерим алтернативни, здрави връзки за нерви, увредени от множествена склероза, или да ребалансираме нервната активност поради разстройство от аутистичния спектър, или да определим невроните да стрелят заедно в специфични модели и да възстановят дълготрайни спомени, загубени в резултат на болестта на Алцхаймер,

По-конкретно, ние открихме, че изолираното или миелизирано нервно влакно в мозъка е активно и изпращайки сигнали по дължината му, известни като потенциали на действие, специални области по дължината му генерират много малко електрическо поле. Клетъчните региони, където това се случва, наречени възли на Ranvier, действат като малки антени, които могат да предават и приемат електрически сигнали.

Всяко нарушаване на двете високоспециализирани структури - миелиновата обвивка или възел на Ранвие - води не само до неврологична дисфункция, но и околното електрическо поле също се променя.

Слушане на нервите

Технологичното предизвикателство включва точно насочване към конкретни части на мозъка, за да се слуша. Устройството трябва да получава сигнали от области, приблизително диаметър на човешка коса, няколко сантиметра дълбоко в мозъка.

Един от начините е да се постави малък брой гъвкави антенни петна по черепа, за да се създаде това, което наричаме "мозъчна леща". Сравняването на показанията от няколко петна ни позволява да насочим по електронен път точно нервите, за да ги слушаме. Ние проектираме и експериментираме с метаматериали - материали, проектирани на молекулярно ниво - които са особено добри в обслужването на антени с висока точност, които могат да бъдат настроени да приемат сигнали от много специфични места.

Няма болка, но потенциално голямо печалба

Чрез слушане на безжични комуникации между нервите, можем да идентифицираме области на мозъка, където електрическите полета показват, че има проблеми. Подробните характеристики на активността на нерва - или липсата на активност - могат да предложат указания за това, какъв конкретен проблем се среща в мозъка. Тези открития биха могли да помогнат за диагностициране на потенциалните заболявания далеч по-лесно от настоящите методи.

Виж, например, в случая с един пациент, 38-годишна жена, ще наричаме „Бианка“, която е диагностицирана с множествена склероза, дегенеративно заболяване на мозъка и гръбначния мозък, което няма известно лечение, Имунната система на пациентите с множествена склероза уврежда миелиновата обвивка между възлите на Ranvier, причинявайки проблеми в комуникацията между мозъка и останалата част от тялото. Това увреждане радикално променя активността в засегнатите нерви.

За да наблюдава развитието на заболяването си, Bianca е имала гръбначни кранове, за да види дали гръбначният й поток има високи нива на специфични антитела, свързани с MS. Тя също е имала МРТ сканиране, за да разкрие областите на мозъка й, където миелинът е повреден, и ще се сблъска с допълнително тестване, за да определи колко бързо преминава информацията през нейната нервна система.

Използването на устройство за мозъчни лещи би позволило на лекарите да наблюдават мозъка на Бианка без болезнени спинални кранове и неприятни и отнемащи време МРТ и КТ сканиране. Може някой ден да позволи на Бианка да наблюдава собствения си мозък и да изпраща данните на своя специалист за оценка.

Терапевтично лечение без наркотици и хирургия

Освен това се надяваме, че нашият подход може да доведе до нови терапии, които също са по-лесни за пациентите. В момента Бианка приема няколко лекарства, които носят значителни рискове за здравето и често я карат да се чувства отвратителна и уморена. Тя е една от многото, които искат да изпробват друга терапевтична опция.

Тази работа планира да надхвърли идентифицирането на районите на нейния мозък, където електрическите полета показват нездравословни условия. Вдъхновени от управлението на компютърните мрежи и усъвършенстваните цифрови мрежи, които маршрутизират сигнали около области, които са повредени или прекъснати, ние разработваме метод, чрез който нашата система за корекция на скалпа може да изпраща съобщения и в мозъка.

Виж също: Интерфейс на мозъка и компютъра може да преведе простите мисли в речта

Всяко увредено нервно влакно обикновено е едно от хилядите опаковани заедно в нервните влакна, където съседните нервни влакна обикновено са здрави. Нашето устройство може да помогне да се идентифицират местата с миелиновото увреждане и да следват тези нервни влакна преди точката на увреждане, за да вземат своите ненарушени сигнали. След това ще използваме мозъчната леща за предаване на допълнителни електрически полета в мозъка, като изпращаме тези здрави сигнали до областите около миелиновото увреждане, за да насърчим съседните нервни влакна да носят съобщенията, които повреденото влакно не може да носи.

Досега ние успяхме да симулираме този подход в суперкомпютърна среда, където параметрите на мозъчния нерв са предоставени от клинични лаборатории. През следващите месеци ние ще изградим и тестваме прототип на мозъчни лещи. Слушането в мозъка и общуването с него предлага завладяващ нов набор от възможности за медицинска диагноза и лечение без операция.

Тази статия първоначално е била публикувана на The Conversation от Salvatore Domenic Morgera. Прочетете оригиналната статия тук.