Cyborgs zijn geen sciencefiction meer. Het gebied van hersen-machine-interfaces (BMI) - die elektroden gebruiken, vaak geïmplanteerd in de hersenen, om neuronale informatie te vertalen in commando's die in staat zijn om externe systemen zoals een computer of robotarm te besturen - bestaan ​​eigenlijk al een tijdje. Ondernemer Elon Musk's bedrijf, Neuralink, streeft ernaar hun BMI-systemen tegen het einde van 2020 te testen op een menselijke patiënt.

Op de lange termijn, BMI-apparaten kunnen helpen bij het bewaken en behandelen van symptomen van neurologische aandoeningen en het beheersen van kunstmatige ledematen. Maar ze kunnen ook een blauwdruk bieden voor het ontwerpen van kunstmatige intelligentie en zelfs directe hersen-tot-hersencommunicatie mogelijk maken. Echter, voorlopig, de belangrijkste uitdaging is om BMI's te ontwikkelen die beschadiging van hersenweefsel en cellen tijdens implantatie en operatie voorkomen.

BMI's bestaan ​​al meer dan tien jaar, mensen helpen die hun ledematen niet meer onder controle hebben, bijvoorbeeld. Echter, conventionele implantaten - vaak gemaakt van silicium - zijn orden van grootte stijver dan het eigenlijke hersenweefsel, wat leidt tot onstabiele opnames en schade aan het omliggende hersenweefsel.

Ze kunnen ook leiden tot een immuunrespons waarbij de hersenen het implantaat afwijzen. Dit komt omdat ons menselijk brein als een bewaakt fort is, en het neuro-immuunsysteem - zoals soldaten in dit gesloten fort - zal neuronen (hersencellen) beschermen tegen indringers, zoals pathogenen of BMI.

Flexibele apparaten

Om schade en immuunreacties te voorkomen, onderzoekers richten zich steeds meer op de ontwikkeling van zogenaamde 'flexibele BMI'. Deze zijn veel zachter dan siliconenimplantaten en lijken op echt hersenweefsel.

Bijvoorbeeld, Neuralink maakte zijn eerste ontworpen flexibele "draden" en inserter - kleine, draadachtige sondes, die veel flexibeler zijn dan eerdere implantaten - om een ​​menselijk brein rechtstreeks aan een computer te koppelen. Deze zijn ontworpen om de kans te minimaliseren dat de immuunrespons van de hersenen de elektroden afstoot na het inbrengen tijdens een hersenoperatie.

In de tussentijd, onderzoekers van de Lieber-groep aan de Harvard University hebben onlangs een mini-mesh-sonde ontworpen die zoveel op echte neuronen lijkt dat de hersenen de bedriegers niet kunnen identificeren. Deze bio-geïnspireerde elektronica bestaat uit platina-elektroden en ultradunne gouddraden ingekapseld door een polymeer met een grootte en flexibiliteit die vergelijkbaar is met neuroncellichamen en neurale zenuwvezels.

Onderzoek bij knaagdieren heeft aangetoond dat dergelijke neuronachtige sondes geen immuunrespons opwekken wanneer ze in de hersenen worden ingebracht. Ze kunnen zowel de functie als de migratie van neuronen volgen.

Verplaatsen naar cellen

De meeste BMI's die tegenwoordig worden gebruikt, pikken elektrische hersensignalen op die buiten de neuronen worden gelekt. Als we het neurale signaal zien als een geluid dat in een kamer wordt gegenereerd, de huidige manier van opnemen is dan ook om naar het geluid buiten de kamer te luisteren. Helaas, de intensiteit van het signaal wordt sterk verminderd door het filterende effect van de wand - de neuronmembranen.

Om de meest nauwkeurige functionele metingen te verkrijgen om meer controle te krijgen over bijvoorbeeld kunstmatige ledematen, elektronische opnameapparatuur moet directe toegang krijgen tot het binnenste van neuronen. De meest gebruikte conventionele methode voor deze intracellulaire opname is de "patch-clamp-elektrode":een holle glazen buis gevuld met een elektrolytoplossing en een opname-elektrode die in contact wordt gebracht met het membraan van een geïsoleerde cel. Maar een micrometer-brede tip veroorzaakt onomkeerbare schade aan de cellen. Bovendien, het kan slechts een paar cellen tegelijk opnemen.

Om deze problemen aan te pakken, we hebben onlangs een haarspeldachtige 3D-nanodraadtransistorarray ontwikkeld en deze gebruikt om intracellulaire elektrische activiteiten van meerdere neuronen te lezen. belangrijk, we waren in staat om dit te doen zonder enige herkenbare cellulaire schade. Onze nanodraden zijn extreem dun en flexibel, en gemakkelijk in de haarspeldvorm te buigen - de transistors zijn slechts ongeveer 15x15x50 nanometer. Als een neuron zo groot was als een kamer, deze transistors zouden ongeveer zo groot zijn als een deurslot.

Bedekt met een stof die het gevoel van een celmembraan nabootst, deze ultra kleine, flexibel, nanodraadsondes kunnen met minimale inspanning de celmembranen passeren. En ze kunnen intracellulair gebabbel opnemen met hetzelfde precisieniveau als hun grootste concurrent:patch-clamp-elektroden.

Het is duidelijk dat deze vooruitgang belangrijke stappen zijn in de richting van nauwkeurige en veilige BMI's die nodig zullen zijn als we ooit complexe taken willen uitvoeren, zoals communicatie tussen hersenen en hersenen.

Het klinkt misschien een beetje eng, maar uiteindelijk, als onze medische professionals ons lichaam beter willen blijven begrijpen en ons willen helpen ziekten te behandelen en langer te leven, het is belangrijk dat we de grenzen van de moderne wetenschap blijven verleggen om hen de best mogelijke instrumenten te geven om hun werk te doen. Om dit mogelijk te maken, een minimaal invasieve kruising tussen mens en machine is onvermijdelijk.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.