Forskere opdager hvordan man "hakker hjernen" uden at udlægge sig til kirurgi

Masser af legitim videnskab - plus en hel masse science fiction - diskuterer måder at "hack hjernen på." Hvad det virkelig betyder, mest af tiden - selv i de fiktive eksempler - involverer kirurgi, åbner kraniet på implantatledninger eller enheder fysisk ind i hjernen.

Men det er svært, farligt og potentielt dødbringende. Det ville være klogere at arbejde med hjernen uden at skulle åbne patienternes kranier. Neurologiske lidelser er almindelige, der påvirker mere end en milliard mennesker over hele verden, i alle aldre, køn og uddannelses- og indkomstniveauer. Mit neurale ingeniørholds forskning, som en del af en bredere indsats på tværs af bioteknologisk disciplin, arbejder på at forstå og lette forskellige neurologiske dysfunktioner, såsom multipel sklerose, autismespektrumforstyrrelse og Alzheimers sygdom.

Du kan også lide: Video Shows Brain Needle, der bliver testet på mennesker

At identificere og påvirke hjernens aktivitet uden for kraniet kunne i sidste ende give lægerne mulighed for at diagnosticere og behandle en lang række svækkende sygdomme i nervesystemet og psykiske lidelser uden invasiv kirurgi.

Se også: Tilbagevendende hukommelsestab kan være muligt ved brug af "terapeutiske molekyler"

Trådløse forbindelser indenfor hjernen

Min gruppe mener, at vi er de første, der har opdaget en ny måde, hvor nerveceller kommunikerer med hinanden. Nerver er velkendte til at forbinde via fysiske links - eller hvad der kan kaldes "wired" -forbindelser - hvor axoner af en nervecelle sender elektriske og kemiske signaler til dendritterne i en nabocelle.

Vores forskning har fundet ud af, at nerveceller også kommunikerer trådløst ved at bruge den kablede aktivitet til at skabe små elektriske felter i sig selv og føle de felter, som naboceller skaber. Dette skaber muligheden for mange flere neurale veje og kan hjælpe med at forklare, hvorfor forskellige dele af hjernen forbinder så hurtigt under udførelsen af ​​komplicerede opgaver.

Vi har været i stand til at overvåge disse elektriske felter uden for kraniet, og lytter effektivt til nervekommunikation. Vi håber at hjælpe os med at finde alternative, sunde forbindelser til nerver beskadiget af multipel sklerose eller genoprette nerveaktivitet på grund af autismespektrumforstyrrelse eller primære neuroner at brænde sammen i specifikke mønstre og genoprette langsigtede minder som tabt som følge af Alzheimers sygdom.

Specifikt har vi fundet, når en isoleret eller myeliniseret nervefibre i hjernen er aktiv og sender signaler langs dens længde kendt som handlingspotentialer, skaber særlige regioner langs dens længde et meget lille elektrisk felt. De cellulære områder, hvor dette sker, kaldes noder af Ranvier, fungerer som små antenner, der kan transmittere og modtage elektriske signaler.

Enhver forstyrrelse af de to højt specialiserede strukturer - myelinkappen eller knuden til Ranvier - resulterer ikke kun i neurologisk dysfunktion, men også det omgivende elektriske felt ændres.

Lytte til nerver

Den teknologiske udfordring indebærer præcis at målrette bestemte dele af hjernen for at lytte ind. Enheden skal modtage signaler fra områder, der i det væsentlige er et menneskes hårs diameter, flere centimeter dybt inde i hjernen.

En måde er at placere et lille antal fleksible antennepatcher på kraniet for at skabe det, vi kalder en "hjernelinsen". Sammenligning af aflæsninger fra flere pletter lader os elektronisk målrette nøjagtigt nerverne for at lytte ind. Vi designer og eksperimenterer med metamaterialer - materialer konstrueret på molekyliveau - der er specielt gode til at betjene som høj præcision antenner, der kan indstilles til at modtage signaler fra meget specifikke steder.

Ingen smerte, men potentielt stor gevinst

Ved at lytte til trådløs kommunikation mellem nerver kan vi identificere områder af hjernen, hvor de elektriske felter indikerer, at der er problemer. De detaljerede egenskaber ved en nerves aktivitet - eller manglende aktivitet - kan give spor om, hvilket specifikt problem der opstår i hjernen. Disse resultater kunne hjælpe med at diagnosticere potentielle medicinske forhold langt lettere end de nuværende metoder.

Se for eksempel i tilfælde af en patient, en 38-årig kvinde, vi kalder "Bianca", der er blevet diagnosticeret med multipel sklerose, en degenerativ sygdom i hjernen og rygmarv, der ikke har nogen kendt kur. Multiple sclerosis patienters immunsystem beskadiger myelinkappen mellem knudepunkterne i Ranvier, hvilket forårsager kommunikationsproblemer mellem hjernen og resten af ​​kroppen. Denne skade ændrer radikalt aktiviteten i de berørte nerver.

For at overvåge sygdommens fremskridt har Bianca haft spinalkraner for at se, om hendes spinalvæske har høje niveauer af særlige antistoffer forbundet med MS. Hun har også haft MR-scanninger for at afsløre områderne i hendes hjerne, hvor myelin er beskadiget, og vil blive udsat for yderligere test for at afgøre, hvor hurtigt informationen strømmer gennem hendes nervesystem.

Ved hjælp af en hjerne linse enhed ville lade læger overvåge Bianca hjerne uden smertefulde spinalkraner og ubehagelige og tidskrævende MR og CT scanninger. Det kan nogen dag tillade Bianca at overvåge sin egen hjerne og sende dataene til sin specialist til evaluering.

Terapeutisk behandling uden medicin og kirurgi

Derudover håber vi, at vores tilgang kan føre til nye terapier, der også er nemmere for patienterne. I øjeblikket tager Bianca flere stoffer, der bærer betydelige sundhedsrisici, og får ofte hende til at føle sig kvalme og træt. Hun er en af ​​mange, der vil prøve en anden terapi mulighed.

Dette arbejde planlægger at gå ud over at identificere regionerne i hendes hjerne, hvor de elektriske felter indikerer usunde forhold. Inspireret af computernetværksadministration og avancerede digitale netværk, hvilken rute signalerer om områder, der er beskadiget eller afbrudt, udvikler vi en metode, hvormed vores hovedbundssystem kan sende meddelelser til hjernen også.

Se også: En Brain-Computer Interface kan oversætte simple tanker til tale

Hver beskadiget nervefibre er generelt en tusindvis pakket sammen i et område af nervefibre, hvor nærliggende nervefibre typisk er sunde. Vores enhed kan hjælpe med at identificere steder med myelinskader og følge disse nervefibre tilbage før skaden, for at afhente deres uforstyrrede signaler. Derefter ville vi bruge hjernen linse til at transmittere komplementære elektriske felter i hjernen, sende disse sunde signaler til områderne omkring myelin skader, for at opmuntre nabo nervefibre til at bære de beskeder den beskadigede fiber ikke kan.

Hidtil har vi kunnet simulere denne tilgang i et super-computermiljø, hvor hjernens nerveparametre er blevet leveret af kliniske laboratorier. I de kommende måneder vil vi bygge og teste en prototype af hjernelinserne. Lytte til hjernen og kommunikere med det giver et fascinerende nyt sæt muligheder for medicinsk diagnose og behandling uden kirurgi.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Salvatore Domenic Morgera. Læs den oprindelige artikel her.