Znanstveniki odkrivajo, kako "raztrgati možgane", ne da bi se zatekali k operaciji

Veliko legitimnih znanosti - skupaj z veliko znanstvene fantastike - razpravlja o načinih, kako "vdreti možgane". Kaj to v resnici pomeni, večino časa - celo v izmišljenih primerih - vključuje operacijo, odpiranje lobanje za fizično vstavljanje žic ali naprav. v možgane.

Toda to je težko, nevarno in potencialno smrtonosno. Bolj pametno bi bilo delati z možgani, ne da bi morali odpreti bolnikove lobanje. Nevrološke motnje so pogoste, saj prizadenejo več kot milijardo ljudi po vsem svetu, vseh starosti, spolov ter ravni izobraževanja in dohodka. Raziskovanje mojega nevronskega inženirskega tima, kot del širšega napora v bioinženirski disciplini, si prizadeva razumeti in olajšati različne nevrološke motnje, kot so multipla skleroza, motnje avtističnega spektra in Alzheimerjeva bolezen.

Morda boste tudi želeli: Video Shows Brain Needle, ki se testira na ljudeh

Prepoznavanje in vplivanje na možgansko aktivnost zunaj lobanje bi lahko sčasoma omogočilo zdravnikom diagnozo in zdravljenje številnih izčrpavajočih bolezni živčevja in duševnih motenj brez invazivne kirurgije.

Glejte tudi: Reversing Memory Loss Mogoče bi bilo mogoče z uporabo "Terapevtskih molekul" t

Brezžične povezave znotraj možganov

Moja skupina meni, da smo prvi, ki smo odkrili nov način, kako živčne celice komunicirajo med seboj. Znano je, da se živci povezujejo preko fizikalnih povezav - ali kar se lahko imenuje "žične" povezave - v katerih aksoni ene živčne celice pošiljajo električne in kemične signale dendritom sosednje celice.

Naše raziskave so pokazale, da živčne celice komunicirajo tudi brezžično, z uporabo žične dejavnosti za ustvarjanje majhnih lastnih električnih polj in zaznavanje polj, ki jih ustvarjajo sosednje celice. To ustvarja možnost za veliko več živčnih poti in lahko pomaga razložiti, zakaj se različni deli možganov tako hitro povežejo med izvajanjem zapletenih nalog.

Ta električna polja smo lahko spremljali zunaj lobanje, pri čemer smo učinkovito poslušali živčne komunikacije. Upamo, da nam bo pomagal najti nadomestne, zdrave povezave za živce, ki jih prizadene multipla skleroza, ali ponovno uravnotežiti živčno aktivnost zaradi motnje avtističnega spektra ali pa nevroni spet združiti v specifične vzorce in obnoviti dolgoročne spomine, izgubljene zaradi Alzheimerjeve bolezni.

Natančneje, ugotovili smo, da je izolirana, ali mielinirana, živčna vlakna v možganih aktivna in pošiljajo signale po svoji dolžini, znani kot akcijski potenciali, posebne regije po njeni dolžini ustvarjajo zelo majhno električno polje. Celična območja, kjer se to zgodi, imenovana Ranvierjeva vozlišča, delujejo kot majhne antene, ki lahko prenašajo in sprejemajo električne signale.

Vsaka motnja dveh visoko specializiranih struktur - mielinske ovojnice ali Ranvierjevega vozlišča - ne povzroči le nevrološke disfunkcije, ampak se spremeni tudi okoliško električno polje.

Poslušam živce

Tehnološki izziv vključuje natančno usmerjanje na določene dele možganov, da bi prisluhnili. Naprava mora sprejemati signale od območij, ki so približno premera človeških las, nekaj centimetrov globoko v možganih.

Eden od načinov je, da na lobanjo postavite majhno število fleksibilnih antenskih lise, da ustvarimo tako imenovano »možgansko lečo«. Če primerjamo odčitke iz več obližev, nam omogoča, da se elektronsko usmerimo ravno na živce, ki jih poslušamo. Razvijamo in eksperimentiramo z metamateriali - materiali, ki smo jih razvili na molekularni ravni -, ki so še posebej dobri pri uporabi kot antene z visoko natančnostjo, ki jih lahko prilagodimo za sprejemanje signalov z zelo specifičnih lokacij.

Ni bolečine, ampak potencialno velika pridobitev

S poslušanjem o brezžičnih komunikacijah med živci lahko identificiramo področja možganov, kjer električna polja kažejo na težave. Podrobne značilnosti delovanja živca - ali pomanjkanje aktivnosti - lahko ponazarjajo, kakšne težave se pojavljajo v možganih. Te ugotovitve lahko pomagajo diagnosticirati potencialna zdravstvena stanja veliko lažje kot sedanje metode.

Poglejte, na primer, v primeru enega samega pacienta, 38-letne ženske, bomo poklicali »Bianco«, ki ji je bila diagnosticirana multipla skleroza, degenerativna bolezen možganov in hrbtenjače, ki nima znanega zdravila.. Imunski sistem bolnikov z multiplo sklerozo poškoduje mielinsko ovojnico med Ranvierjevimi vozlišči, kar povzroča težave pri komunikaciji med možgani in preostalim delom telesa. Ta poškodba korenito spremeni delovanje prizadetih živcev.

Za spremljanje napredovanja bolezni je zdravilo Bianca dobilo pipe za hrbtenico, da bi videlo, ali ima njena hrbtenična tekočina visoke ravni določenih protiteles, povezanih z MS. Imela je tudi MRI skeniranje, da bi razkrila področja njenih možganov, kjer je poškodovan mielin, in se soočila z dodatnim testiranjem, da bi ugotovila, kako hitro informacije tečejo skozi njen živčni sistem.

Uporaba naprave z možganskimi lečami bi zdravnikom omogočila spremljanje Biancinih možganov brez bolečih spinalnih pip in neprijetnih in dolgotrajnih MRI in CT skenov. Morda bo nekoč dovolil Bianci, da spremlja svoje možgane in pošlje podatke svojemu strokovnjaku za oceno.

Terapevtsko zdravljenje brez drog in kirurgije

Poleg tega upamo, da bo naš pristop privedel do novih terapij, ki so tudi lažje za paciente. Trenutno Bianca jemlje več zdravil, ki imajo pomembna tveganja za zdravje, in ji pogosto povzroča slabost in utrujenost. Je ena izmed mnogih, ki želijo poskusiti drugačno terapijo.

To delo namerava preseči prepoznavanje regij v njenih možganih, kjer električna polja kažejo nezdrave razmere. Navdihnjeni z upravljanjem računalniškega omrežja in naprednimi digitalnimi omrežji, ki usmerjajo signale po območjih, ki so poškodovana ali prekinjena, razvijamo metodo, s katero bi lahko naš sistem popravkov lasišča pošiljal sporočila tudi v možgane.

Glej tudi: Vmesnik za računalnik z možgani lahko prevede preproste misli v govor

Vsako poškodovano živčno vlakno je običajno eno izmed tisočev, ki se združijo v trakt živčnih vlaken, kjer so sosednja živčna vlakna praviloma zdrava. Naša naprava lahko pomaga identificirati mesta z poškodbo mielina in sledi tistim živčnim vlaknom pred točko poškodbe, da pobere njihove nemotene signale. Nato bi uporabili možgansko lečo za prenos komplementarnih električnih polj v možgane, pošiljanje zdravih signalov na območja okoli poškodbe mielina, da bi spodbudili sosednja živčna vlakna, da prenesejo sporočila, ki jih poškodovano vlakno ne more.

Do sedaj smo uspeli simulirati ta pristop v super-računalniškem okolju, kjer so parametri možganskih živcev zagotovili klinični laboratoriji. V prihodnjih mesecih bomo zgradili in testirali prototip možganskih leč. Poslušanje možganov in komuniciranje z njo ponuja fascinantno novo vrsto možnosti za medicinsko diagnozo in zdravljenje brez operacije.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru Salvatoreja Domenica Morgera. Preberite izvirni članek tukaj.