Вчені дізнаються, як "зламати мозок", не вдаючись до хірургії

Багато легітимних наук - плюс багато наукової фантастики - обговорюють способи "зламати мозок". Що насправді означає, більшу частину часу - навіть у вигаданих прикладах - включає операцію, відкриваючи череп, щоб імплантувати дроти або пристрої фізично в мозок.

Але це важко, небезпечно і потенційно смертельно. Розумніше було б працювати з мозку без необхідності відкривати пацієнтські черепи. Неврологічні розлади є загальними, що зачіпають більше мільярда людей у ​​всьому світі, всіх віків, статей, рівнів освіти та рівня доходів. Дослідження команди нейронної інженерії, як частина більш широких зусиль у дисципліні біоінженерії, спрямована на розуміння та послаблення різних неврологічних дисфункцій, таких як розсіяний склероз, розлад спектру аутизму та хвороба Альцгеймера.

Вам також можуть сподобатися: Відео показує мозку голки, що тестується на людях

Виявлення та вплив на діяльність головного мозку ззовні черепа може врешті-решт дозволити лікарям діагностувати та лікувати широкий спектр захворювань нервової системи та психічних розладів без інвазивної хірургії.

Див. Також: Зниження втрати пам'яті може бути можливим із застосуванням «терапевтичних молекул»

Бездротові з'єднання в мозку

Моя група вважає, що ми першими виявили новий спосіб спілкування нервових клітин між собою. Нерви добре відомі тим, що з'єднуються через фізичні зв'язки - або те, що можна назвати "дротяними" зв'язками - в яких аксони однієї нервової клітини посилають електричні і хімічні сигнали на дендрити сусідньої клітини.

Наші дослідження показали, що нервові клітини також спілкуються по бездротовому зв'язку, використовуючи дротову активність для створення власних власних мініатюрних електричних полів, а також зондування, яке створюють сусідні клітини. Це створює можливість для багатьох інших нервових шляхів і може допомогти пояснити, чому різні частини мозку з'єднують так швидко під час виконання складних завдань.

Ми змогли спостерігати за цими електричними полями за межами черепа, ефективно прослуховуючи нервові зв'язки. Ми сподіваємося, що це допоможе нам знайти альтернативні, здорові зв'язки для нервів, пошкоджених розсіяним склерозом, або змінити баланс нервової активності через розлад спектра аутизму, або перетворити нейрони на певні зразки та відновити довгострокові спогади, втрачені в результаті хвороби Альцгеймера.

Зокрема, ми виявили, коли ізоляція, або мієліноване, нервове волокно в мозку активне і посилаючи сигнали по його довжині, відомі як потенціали дії, спеціальні області по його довжині генерують дуже маленьке електричне поле. Стільникові області, де це відбувається, називаються вузлами Ranvier, діють як маленькі антени, які можуть передавати і приймати електричні сигнали.

Будь-яке порушення двох високоспеціалізованих структур - мієлінової оболонки або вузла Ранв'є - призводить не тільки до неврологічної дисфункції, але й змінюється навколишнє електричне поле.

Слухає нерви

Технологічний виклик передбачає точне націлювання на певні ділянки мозку для прослуховування. Пристрій повинен приймати сигнали з областей приблизно діаметром людського волосся, кілька сантиметрів глибиною мозку.

Один із способів полягає в тому, щоб розмістити на черепі невелику кількість гнучких ділянок антени, щоб створити те, що ми називаємо «мозковою лінзою». Порівнюючи показання з декількох латок, ми можемо електронно націлюватися саме на нерви, щоб слухати. Ми розробляємо і експериментуємо з метаматеріалами - матеріалами, розробленими на молекулярному рівні - які особливо добре використовуються як високоточні антени, які можна налаштувати для прийому сигналів з дуже конкретних місць.

Немає болю, але потенційно великого посилення

Прислухаючись до бездротового зв'язку між нервами, ми можемо визначити ділянки мозку, де електричні поля вказують на проблеми. Детальна характеристика діяльності нерва - або відсутність активності - може дати підказки про те, яка конкретна проблема виникає в мозку. Ці результати можуть допомогти діагностувати потенційні медичні умови набагато легше, ніж існуючі методи.

Подивіться, наприклад, на реальний випадок одного пацієнта, 38-річної жінки, ми називаємо «Б'янку», у якої діагностовано розсіяний склероз, дегенеративне захворювання головного та спинного мозку, у якого немає відомого лікування. Імунні системи пацієнтів з розсіяним склерозом пошкоджують мієлінову оболонку між вузлами Ранв'є, викликаючи проблеми з комунікацією між мозку і рештою тіла. Таке пошкодження кардинально змінює активність уражених нервів.

Щоб відстежити хід захворювання, Б'янка мав спінальні крани, щоб побачити, чи має її спинномозкова рідина високий рівень специфічних антитіл, пов'язаних з МС. Вона також має МРТ, щоб виявити ділянки її мозку, де мієлін пошкоджений, і буде стикатися з додатковим тестуванням, щоб визначити, як швидко проходить інформація через її нервову систему.

Використання апарату головного мозку дозволить лікарям контролювати мозок Б'янки без хворобливих відводів хребта і незручних і трудомістких МРТ і КТ. Це може колись дозволити Б'янці стежити за власним мозком і надсилати дані своєму спеціалісту для оцінки.

Терапевтичне лікування без наркотиків і хірургії

Крім того, ми сподіваємося, що наш підхід може призвести до нових методів лікування, які також легше для пацієнтів. На даний момент Б'янка приймає декілька препаратів, які несуть значні ризики для здоров'я, і ​​часто змушують її відчувати нудоту і втома. Вона одна з багатьох, хто хоче спробувати інший варіант терапії.

Ця робота планує вийти за рамки визначення областей її мозку, де електричні поля вказують на нездорові умови. Натхненний керуванням комп'ютерними мережами та просунутими цифровими мережами, які направляють сигнали навколо пошкоджених або перерваних областей, ми розробляємо метод, за допомогою якого наша система виправлення шкіри голови також може посилати повідомлення в мозок.

Див. Також: Інтерфейс Мозковий комп'ютер може перекласти прості думки в мову

Кожне пошкоджене нервове волокно, як правило, один з тисяч упаковані разом у тракт нервових волокон, де сусідні нервові волокна, як правило, здорові. Наш пристрій може допомогти визначити ділянки з мієліновим пошкодженням і слідувати за тими нервовими волокнами перед точкою пошкодження, щоб підібрати їхні спокійні сигнали. Тоді ми будемо використовувати мозкову лінзу для передачі додаткових електричних полів у мозок, посилаючи ці здорові сигнали на зони навколо мієлінового пошкодження, щоб заохочувати сусідні нервові волокна, щоб нести повідомлення, які пошкоджене волокно не може.

До цих пір ми змогли змоделювати цей підхід у супер-обчислювальному середовищі, де параметри мозкового нерва були надані клінічними дослідницькими лабораторіями. У найближчі місяці ми побудуємо і протестуємо прототип головного мозку. Прослуховування мозку та спілкування з ним дає захоплюючий набір можливостей для медичної діагностики та лікування без операції.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Сальваторе Доменік Моргера. Читайте оригінальну статтю тут.