Ученые открывают, как «взломать мозг», не прибегая к хирургии

Множество законных наук - плюс множество научной фантастики - обсуждают способы «взломать мозг». Что это действительно означает, большую часть времени - даже в вымышленных примерах - включает хирургию, открытие черепа для имплантации проводов или устройств физически в мозг.

Но это сложно, опасно и потенциально смертельно. Было бы разумнее работать с мозгом без необходимости открывать черепа пациентов. Распространены неврологические расстройства, затрагивающие более миллиарда человек во всем мире, всех возрастов, полов, а также уровней образования и доходов. Исследования моей команды нейроинженеров, как часть более широких усилий в области биоинженерии, направлены на понимание и ослабление различных неврологических дисфункций, таких как рассеянный склероз, расстройства аутистического спектра и болезнь Альцгеймера.

Вам также может понравиться: Видео показывает иглу мозга, которая тестируется на людях

Выявление и влияние на деятельность мозга снаружи черепа может в конечном итоге позволить врачам диагностировать и лечить широкий спектр изнурительных заболеваний нервной системы и психических расстройств без инвазивной хирургии.

См. Также: возможна реверсия потери памяти с использованием «терапевтических молекул».

Беспроводные соединения в мозге

Моя группа считает, что мы первыми открыли новый способ взаимодействия нервных клеток друг с другом. Хорошо известно, что нервы соединяются через физические связи - или так называемые «проводные» соединения, в которых аксоны одной нервной клетки посылают электрические и химические сигналы на дендриты соседней клетки.

Наше исследование показало, что нервные клетки также обмениваются данными по беспроводной связи, используя проводную активность для создания собственных крошечных электрических полей и определяя поля, создаваемые соседними клетками. Это создает возможность для многих других нейронных путей и может помочь объяснить, почему различные части мозга соединяются так быстро во время выполнения сложных задач.

Мы смогли контролировать эти электрические поля снаружи черепа, эффективно выслушивая нервные коммуникации. Мы надеемся, что это поможет нам найти альтернативные, здоровые связи для нервов, поврежденных рассеянным склерозом, или перебалансировать нервную деятельность из-за расстройства аутистического спектра, или первичные нейроны для совместного запуска в определенных паттернах и восстановления долговременных воспоминаний, потерянных в результате болезни Альцгеймера,

В частности, мы обнаружили, что когда изолированное или миелинизированное нервное волокно в мозге активно и посылает сигналы по его длине, известной как потенциалы действия, специальные области по его длине генерируют очень небольшое электрическое поле. Области сотовой связи, где это происходит, называемые узлами Ранвье, действуют как маленькие антенны, которые могут передавать и принимать электрические сигналы.

Любое нарушение двух узкоспециализированных структур - миелиновой оболочки или узла Ранвье - приводит не только к неврологической дисфункции, но и к изменениям окружающего электрического поля.

Слушая нервы

Технологическая задача включает в себя точное нацеливание на определенные части мозга, чтобы слушать. Устройство должно принимать сигналы от областей примерно с диаметром человеческого волоса, на несколько сантиметров в глубине мозга.

Одним из способов является наложение небольшого количества гибких антенных пластырей на череп, чтобы создать то, что мы называем «мозговой линзой». Сравнение показаний нескольких пластырей позволяет нам электронным способом нацеливать именно нервы для прослушивания. Мы разрабатываем и экспериментируем с метаматериалами - материалами, разработанными на молекулярном уровне - которые особенно хороши в качестве высокоточных антенн, которые можно настроить для приема сигналов из очень специфических мест.

Нет боли, но потенциально велика выгода

Прослушивая беспроводную связь между нервами, мы можем определить области мозга, где электрические поля указывают на наличие проблем. Подробные характеристики нервной деятельности - или отсутствия активности - могут подсказать, какая именно проблема возникает в мозге. Эти результаты могут помочь диагностировать потенциальные заболевания гораздо проще, чем современные методы.

Посмотрите, например, на фактический случай с одной пациенткой, 38-летней женщиной, которую мы назовем «Бьянка», у которой был диагностирован рассеянный склероз, дегенеративное заболевание головного и спинного мозга, которое до сих пор не известно., Иммунная система пациентов с рассеянным склерозом повреждает миелиновую оболочку между узлами Ранвье, вызывая проблемы со связью между мозгом и остальной частью тела. Это повреждение радикально меняет активность в пораженных нервах.

Чтобы контролировать прогресс ее болезни, у Бьянки были спины, чтобы увидеть, имеет ли ее спинальная жидкость высокий уровень специфических антител, связанных с РС. У нее также были МРТ, чтобы выявить участки ее мозга, где поврежден миелин, и ей предстоит пройти дополнительное тестирование, чтобы определить, насколько быстро информация течет по ее нервной системе.

Использование устройства с линзами головного мозга позволило бы врачам контролировать мозг Бьянки без болезненных ударов позвоночника и неудобных и отнимающих много времени МРТ и КТ. Когда-нибудь это может позволить Бьянке контролировать свой мозг и отправить данные своему специалисту для оценки.

Терапевтическое лечение без наркотиков и хирургии

Кроме того, мы надеемся, что наш подход может привести к новым методам лечения, которые также будут проще для пациентов. В настоящее время Бьянка принимает несколько лекарств, которые несут значительный риск для здоровья и часто вызывают у нее тошноту и усталость. Она одна из многих, кто хочет попробовать другой вариант терапии.

Эта работа планирует выйти за рамки выявления областей ее мозга, где электрические поля указывают на нездоровые условия. Вдохновленные управлением компьютерными сетями и продвинутыми цифровыми сетями, которые направляют сигналы вокруг областей, которые повреждены или прерваны, мы разрабатываем метод, с помощью которого наша система исправлений скальпа может также отправлять сообщения в мозг.

Смотрите также: Интерфейс мозг-компьютер может переводить простые мысли в речь

Каждое поврежденное нервное волокно, как правило, является одним из тысяч, упакованных вместе в тракт нервных волокон, где соседние нервные волокна обычно здоровы. Наше устройство может помочь идентифицировать участки с повреждением миелина и проследить за этими нервными волокнами до точки повреждения, чтобы уловить их нетронутые сигналы. Затем мы использовали бы линзу мозга для передачи дополнительных электрических полей в мозг, посылая эти здоровые сигналы в области вокруг повреждения миелина, чтобы побудить соседние нервные волокна передавать сообщения, которые поврежденное волокно не может.

До сих пор мы смогли смоделировать этот подход в суперкомпьютерной среде, где параметры мозгового нерва были предоставлены клиническими исследовательскими лабораториями. В ближайшие месяцы мы создадим и протестируем прототип мозговой линзы. Прослушивание мозга и общение с ним предлагает захватывающий новый набор возможностей для медицинской диагностики и лечения без хирургического вмешательства.

Эта статья была первоначально опубликована в «Разговоре» Сальваторе Доменика Моргеры. Прочитайте оригинальную статью здесь.