Vědci zjistí, jak se "Hack mozek", aniž by se uchylovaly k chirurgii

Spousta legitimních věd - plus celá řada sci-fi - diskutuje o způsobech, jak „zaseknout mozek“. Co to vlastně znamená, většinu času - dokonce i ve fiktivních příkladech - zahrnuje operaci, otevření lebky pro implantování drátů nebo zařízení fyzicky do mozku.

Ale to je těžké, nebezpečné a potenciálně smrtící. Bylo by chytřejší pracovat s mozkem bez nutnosti otevírat lebky pacientů. Běžné jsou neurologické poruchy, které postihují více než miliardu lidí na celém světě, všech věkových skupin, pohlaví a úrovní vzdělání a příjmů. Výzkumný tým mého nervového inženýrství, jako součást širšího úsilí v oblasti bioinženýrství, pracuje na pochopení a zmírnění různých neurologických dysfunkcí, jako je roztroušená skleróza, porucha autistického spektra a Alzheimerova choroba.

Také by se vám mohlo líbit: Video ukazuje mozkovou jehlu, která je testována na lidech

Identifikace a ovlivňování aktivity mozku z vnějšku lebky by mohlo nakonec umožnit lékařům diagnostikovat a léčit širokou škálu oslabujících onemocnění nervového systému a duševních poruch bez invazivní chirurgie.

Viz také: Obrácení ztráty paměti může být možné s využitím „terapeutických molekul“

Bezdrátová připojení v mozku

Moje skupina věří, že jsme první, kdo objevil nový způsob, jak nervové buňky spolu komunikují. Nervy jsou dobře známé tím, že se spojují fyzickými vazbami - nebo to, co by se dalo nazvat „drátovými“ spoji - ve kterých axony jednoho nervového článku vysílají elektrické a chemické signály dendritům sousední buňky.

Náš výzkum zjistil, že nervové buňky také komunikují bezdrátově, pomocí drátové aktivity, aby vytvořily vlastní malá elektrická pole, a snímají pole, která sousední buňky vytvářejí. To vytváří možnost mnohem více nervových drah a může pomoci vysvětlit, proč se různé části mozku spojují tak rychle během provádění složitých úkolů.

Byli jsme schopni sledovat tato elektrická pole z vnějšku lebky a účinně naslouchat nervovým komunikacím. Doufáme, že nám to pomůže najít alternativní, zdravé spojení nervů poškozených roztroušenou sklerózou, nebo znovu vyvážit nervovou aktivitu v důsledku poruchy autistického spektra, nebo primární neurony společně vypálit ve specifických vzorcích a obnovit dlouhodobé vzpomínky ztracené v důsledku Alzheimerovy choroby.

Konkrétně jsme zjistili, že když je izolovaná nebo myelinovaná nervová vláknina v mozku aktivní a vysílá signály podél své délky známé jako akční potenciály, speciální oblasti podél její délky vytvářejí velmi malé elektrické pole. Buněčné oblasti, kde se to děje, nazývané uzly Ranvier, působí jako malé antény, které mohou přenášet a přijímat elektrické signály.

Jakékoliv narušení dvou vysoce specializovaných struktur - myelinové pochvy nebo uzlu Ranvier - nevede pouze k neurologické dysfunkci, ale mění se i okolní elektrické pole.

Naslouchání nervům

Technologická výzva spočívá v přesném nasměrování konkrétních částí mozku, aby se naslouchaly. Přístroj musí přijímat signály z oblastí zhruba o průměru lidských vlasů, několik centimetrů hluboko v mozku.

Jedním ze způsobů je umístit malý počet pružných anténních náplastí na lebku, aby se vytvořilo to, čemu říkáme „čočka mozku“. Porovnání údajů z několika náplastí nám umožňuje elektronicky cílit přesně nervy, na které se naslouchá. Navrhujeme a experimentujeme s metamateriály - materiály vytvořenými na molekulární úrovni - které jsou obzvláště dobré při poskytování vysoce přesných antén, které mohou být vyladěny tak, aby přijímaly signály z velmi specifických míst.

Žádná bolest, ale potenciálně velký zisk

Nasloucháním na bezdrátové komunikaci mezi nervy můžeme identifikovat oblasti mozku, kde elektrická pole naznačují problémy. Podrobné charakteristiky aktivity nervu - nebo nedostatek aktivity - mohou nabídnout vodítka o tom, jaký specifický problém se vyskytuje v mozku. Tato zjištění by mohla pomoci diagnostikovat potenciální zdravotní stav mnohem snadněji než současné metody.

Podívejme se například na skutečného případu jednoho pacienta, 38leté ženy, nazýváme „Bianca“, u které byla diagnostikována roztroušená skleróza, degenerativní onemocnění mozku a míchy, která nemá žádnou léčbu.. Imunitní systémy pacientů s roztroušenou sklerózou poškozují myelinový plášť mezi uzly Ranvier, což způsobuje komunikační problémy mezi mozkem a zbytkem těla. Toto poškození radikálně mění aktivitu v postižených nervech.

Pro sledování průběhu onemocnění měla Bianca spinální kohoutky, aby zjistila, zda její míšní tekutina má vysoké hladiny konkrétních protilátek spojených s RS. Měla také MRI snímky, aby odhalila oblasti jejího mozku, kde je myelin poškozen, a bude čelit dalším testům, aby zjistila, jak rychlá informace proudí jejím nervovým systémem.

Používání zařízení pro mozkové čočky by umožnilo lékařům monitorovat mozek Biancy bez bolestivých páteřních kohoutků a nepříjemných a časově náročných MRI a CT. Někdy může Biance umožnit sledování vlastního mozku a zaslání údajů jejímu specialistovi k vyhodnocení.

Terapeutická léčba bez léků a chirurgie

Kromě toho doufáme, že náš přístup může vést k novým terapiím, které jsou také jednodušší pro pacienty. V tuto chvíli Bianca užívá několik léků, které nesou významná zdravotní rizika a často ji nutí cítit se nevolnost a únavu. Je jednou z mnoha, kteří si chtějí vyzkoušet jinou možnost léčby.

Tato práce plánuje jít nad rámec identifikace oblastí svého mozku, kde elektrická pole ukazují nezdravé podmínky. Inspirovaný správou počítačových sítí a pokročilými digitálními sítěmi, které směrují signály kolem oblastí, které jsou poškozené nebo přerušené, vyvíjíme metodu, pomocí které by náš systém patchů pro skalp mohl posílat zprávy do mozku.

Viz také: Rozhraní mozku a počítače může přeložit jednoduché myšlenky do řeči

Každé poškozené nervové vlákno je obecně jeden z tisíců zabalený spolu do traktu nervových vláken kde sousední nervová vlákna jsou typicky zdravá. Naše zařízení by mohlo pomoci identifikovat místa s myelinovým poškozením a sledovat tato nervová vlákna zpět před bodem poškození, aby zachytila ​​jejich nenarušené signály. Pak bychom použili mozkové čočky k přenosu komplementárních elektrických polí do mozku, posílání těchto zdravých signálů do oblastí kolem poškození myelinu, aby se povzbudila sousední nervová vlákna, aby nesly poselství poškozeného vlákna.

Doposud jsme byli schopni simulovat tento přístup v superpočítačovém prostředí, kde byly parametry klinických nervů poskytovány klinickými výzkumnými laboratořemi. V následujících měsících budeme stavět a testovat prototyp mozkových čoček. Naslouchat mozku a komunikovat s ním nabízí fascinující nový soubor možností pro lékařskou diagnózu a léčbu bez chirurgického zákroku.

Tento článek byl původně publikován na The Conversation Salvatore Domenic Morgera. Přečtěte si originální článek zde.