(Phys.org)—Brain-machine interfaces (BMI's) zijn in feite gimmicks. De reden dat je er tegenwoordig niet zoveel over hoort, is omdat, in de volheid van de tijd, aanzienlijk tastbaar voordeel voor een gebruiker is ronduit uitgebleven. Simpel gezegd, noch stekelige micro-elektrode-arrays, schrijnende optogenetische aanpassingen aan onze fysiologie, noch onze hersenen tatoeëren met giftige fluorescerende stoffen ZAL ons ooit geven wat we nodig hebben. Anderzijds, als je van ver kunt zien hoe inheemse spikes ongehinderd door axonkanalen borrelen, zonder een van de bovengenoemde gevaren, misschien ben je iets op het spoor.

Hoewel elke serieuze hersenonderzoeker zich op een bepaald niveau volledig bewust moet zijn van deze waarheden, elke collectieve toelating als zodanig zou vereisen dat verschillende fundamentele fundamenten van het veld worden overboord gegooid. Voor starters, dit betekent het loslaten van het idee dat spikes volledig worden beschreven door de strikt elektrische epifenomenen die onderzoekers op hun oscilloscopen versterken. Met andere woorden, het voorstellen van axonen als equivalente circuits die hun piekenergie onomkeerbaar door verschillende impedanties dissiperen, schiet tekort. Gelukkig, een kritieke massa onderzoekers heeft nu hulpmiddelen ontwikkeld om de grotere intrinsieke fysica van de piek te onderzoeken. Het doel is om een ​​meer algemene theorie van prikkelbaarheid in cellen te ontwikkelen die alle waargenomen fysieke veranderingen (zoals dimensie, druk en temperatuur). Hun geheime saus, dat wat uiteindelijk hersenapparaten zal opleveren die we begeren, is labelvrije optische detectie van mechanische pieken.

Hoewel er een lange geschiedenis van werk op dit gebied is, verschillende recente artikelen suggereren dat we deze fysica eindelijk beginnen te begrijpen. Het eerste artikel gebruikt de beproefde methode van optische vezelinterferometrie om de veranderingen op nanometerschaal in optische padlengte te detecteren die optreden wanneer cellen pieken. Het tweede artikel slaagt erin om 0,2 nm schaaluitwijkingen in de celenvelop tijdens pieken te extraheren met behulp van beeldsubtractie- en ruisonderdrukkingstechnieken. Eindelijk, een derde set rapporteert over de enorme verplaatsingen op micronschaal in stekelige Chara-plantencellen, en herbekijkt de intrigerende vraag wat er gebeurt als spikes die in tegengestelde richtingen reizen, botsen.

Kunnen we praktische BMI's maken met interferometers?

Om wijdverbreide praktische BMI's ooit werkelijkheid te laten worden, zullen ze waarschijnlijk klein moeten zijn. Klassieke Michelson-interferometers, het soort dat elke natuurkunde-majoor op een bepaald moment in een laboratoriumcursus herschept, zijn over het algemeen niet geassocieerd met compactheid of configureerbaarheid. Hoewel geschikt voor zaken als het weerleggen van de ether of het glimp opvangen van zwaartekrachtsgolven met behulp van massieve optische benen, Michelson-interferometers zijn niet altijd de eerste keuze voor biologische experimenten. In plaats daarvan, de Mach-Zehnder-interferometer wordt vaak gebruikt omdat elk van zijn goed gescheiden lichtpaden slechts één keer wordt doorlopen, waardoor het veel veelzijdiger wordt. Mach-Zehnder-modulatoren kunnen nu worden gebouwd als monolithische geïntegreerde schakelingen met een elektro-optische amplitude- en faserespons met hoge bandbreedte over een frequentiebereik van meerdere GHz.

Ondanks de schijnbare voordelen van de Mach Zehnder, auteur Digant Dave van het eerste artikel zei dat ze de Michelson-interferometer gebruiken voor hun experimenten omdat de gemeenschappelijke padtopologie een zeer hoge axiale gevoeligheid geeft. Vooral, ze kunnen verplaatsingen van minder dan 0,1 nm meten in een in vitro celpreparaat. De spotgrootte van de sondestraal is ~ 4,5 m en een hoge SNR wordt bereikt door neuronen tussen twee stukken glas te sandwichen. De opgenomen optische pulsen varieerden van 20 tot 300 ms (meestal minder dan 50 ms), wat iets langer is dan het bereik van 5 tot 7 ms voor de pieken die ze registreerden via patchklemming.

Ik vroeg Dave hoe een in vivo 2-D zenuwscan-implementatie van zijn in vitro-opstelling theoretisch zou kunnen worden gemaakt. Hij zei dat de vezeltips zelf zo klein kunnen zijn als 1 mm en in een van de twee modi kunnen worden gebruikt:ofwel rasterscan de sondestraal, of verkrijg 2D-beelden tijdens het scannen van de golflengte van de ingangslichtbron. Elk met een diameter van een millimeter, Ik zou denken dat het mogelijk moet zijn om verschillende van dergelijke sondes in het ventriculaire systeem van de hersenen te steken om de uitgestrekte axonkanalen langs de wanden van de 3e en 4e ventrikels te scannen. Net onder het cerebellum zijn verschillende natuurlijke ventilatieopeningen die CSF circuleren om de druk in evenwicht te brengen. Vooral, de Foramens van Magendi en Lushka zouden hiervoor bij uitstek geschikt zijn.

In afwachting van verdere miniaturisering, veel van de hardware voor signaalverwerking en misschien zelfs optische bundelvoorbereiding moet nog steeds dicht bij elkaar blijven of buiten het lichaam worden vastgemaakt. Van meer directe zorg dan hardware echter, zouden de effecten van myeline op het signaal zijn. Daten, de meeste onderzoeken zijn gedaan met kale axonen of plantencellen die van hun celwand zijn ontdaan. Myeline kan mechanische en thermische pulsen absorberen of anderszins verzwakken, of het zou heel goed een versterkend effect kunnen hebben op andere variabelen zoals druk. Bijvoorbeeld, toen de Chara-cellen werden 'geplasmalyseerd', zoals vermeld in het derde artikel, om de celwand en de daarmee gepaard gaande turgordruk te elimineren, de kleinere 100nm schaal verplaatsingen werden omgezet in micron schaal verplaatsingen.

Ik vroeg Digant wat hij dacht van het vooruitzicht om verplaatsingen te meten zonder interferometers, zoals vermeld in het tweede genoemde artikel. Hoewel hij opmerkte dat de gevoeligheid van 0,2 nm zeer indrukwekkend was voor een standaard helderveld-scope, hij merkte op dat deze metingen lateraal in de celomhulling werden gedaan en een significante middeling van honderden frames vereisten. De auteurs waren ook in staat om tegelijkertijd de cellen te patchen om de amplitude en fase van de elektrisch geregistreerde piek te vergelijken, echter, dit zelf kan de mechanische metingen bemoeilijken. Wat betreft het implementeren van dit soort registratie als een BMI, Ik zou denken dat er veel moeilijkheden zouden zijn.

Een openstaande vraag met betrekking tot spikes is of ze significante niet-dissipatieve componenten hebben. Over andere dingen, dit zou schijnbaar aanzienlijk van invloed zijn op hoeveel energie ze nodig hebben en dragen. Recente studies hebben geprobeerd om precies te bepalen hoeveel ATP verschillende soorten neuronen nodig hebben voor spiking, het lijkt er echter op dat veel van hun onderliggende veronderstellingen dubieus zijn. Digant meldt dat veel van de optische pulsen dissipatieve componenten hebben, zoals aangegeven meerdere cycli van afnemende oscillatie na stimulatie. Hij is van plan om studies te starten met behulp van optogenetische stimulatie om elk artefact te elimineren dat door een patch-clamp wordt geïntroduceerd.

Een goede manier om grip te krijgen op wat er in spikingcellen gebeurt, is door te observeren wat er gebeurt als pulsen botsen. Met andere woorden, annihileren ze door ontspannende ionenkanalen zoals de theorie voorspelt, of kunnen ze door elkaar heen? Eerder onderzoek heeft aangetoond dat spikes van nature in tegengestelde richtingen langs axonen worden gepropageerd, en bovendien dat ze in sommige gevallen onaangetast door elkaar heen kunnen gaan. Ander werk heeft ook aangetoond dat de snelheid, amplitude en vorm van de piek hangt normaal gesproken af ​​van de richting waarin deze gaat. De meest recente studies die hier zijn gerapporteerd voor botsingen in Chara-cellen, hebben aangetoond dat elektrisch geregistreerde pieken meestal bij een botsing verdwijnen.

De auteurs suggereren dat vanuit een akoestisch oogpunt, annihilatie kan het gevolg zijn van niet-lineaire materiaaleigenschappen van het gehele exciteerbare medium. Omdat er in verschillende onderzoeken enige discrepanties zijn geweest tussen de fase en richtingen van celexpansie met betrekking tot het tijdsverloop van de elektrische piek, optische opnames van botsingen zouden waarschijnlijk informatief zijn. We moeten opmerken dat in axonen, verschillende eiwit- en lipidecompartimenten kunnen verschillende vormen van excitatie dragen. Bijvoorbeeld, terwijl ionenkanalen typisch geassocieerd zijn met de elektrische piek, soliton-achtige golfverschijnselen kunnen zich voortplanten in kale membranen. Vroeger, de originele Hodgkin-Huxley-papers suggereerden dat membraandipolen zelf verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor actiepotentialen.

Verder, het actine-cytoskelet kan ook excitatie voortplanten (hoewel pulsen over het algemeen langer duren zoals bij spiercontractie), en ook het tubuline-cytoskelet lijkt excitatie en oscillatie te ondersteunen. Zoals genoemd, de myeline draagt ​​waarschijnlijk ook bij, mogelijk zelfs door andere fysieke processen zoals het voortplanten van faseveranderingen in lipidecomponenten. Een ding dat we in gedachten kunnen houden voor in vivo metingen (met name voor gebundelde zenuwen) is dat verschillende bundels hun eigen optische sandwich kunnen vormen die kan worden gebruikt voor de referentie optische padlengte zoals gedaan voor Digand's in vitro werk.

Een meest verwaarloosde, maar misschien wel de belangrijkste bron van excitatie in cellen of axonen zijn de mitochondriën. In hartcellen, bijvoorbeeld, de zogenaamde 'mitoflash'-reactie, gecoördineerd door maximaal 8000 mitochondriën per cel, handhaaft nauwkeurig het ATP-'instelpunt' over een werklast die tienvoudig verandert. Deze mitoflash-excitatie is zelf samengesteld uit verschillende componenten; zogenaamde 'redoxvonken', calcium, NADPH, protonen, en andere moleculen zijn allemaal geregistreerd, om nog maar te zwijgen van recente studies die aantonen dat de binnenkant van actief ademende mitochondrialen de 50°C kan overschrijden. Hoewel controversieel, superoxide anion, soms geassocieerd met directe controle van veroudering en levensduur, is ook verondersteld te worden gedetecteerd door verschillende mitoflash-sondes.

Omdat mitochondriën geconcentreerd zijn op de internodiën van axonen, is het heel goed mogelijk dat ze een significante bijdrage leveren aan de saltatorische geleiding van spikes in gemyeliniseerde axonen. Aangezien de membraanpotentiaal in mitochondriën minstens het dubbele is van die van de cel zelf, en het komt in veel kleine en mobiele pakketten per neuron, dit is misschien niet zo verwonderlijk. De prikkelbaarheid van de hele cel zou dan worden gecontroleerd door de dispersie of aggregatie van mitochondriën in verschillende formaties, misschien verwant aan hoe huidskleur wordt gecontroleerd door strategische mobilisatie van melanosomen. Meer lokaal, Van mitoflash is aangetoond dat het de grootte en morfologie in dendritische stekels controleert, wat leidt tot moedwillige speculaties over het geheugen.

Voor de BMI's willen velen op een dag praktisch zijn, niet alleen een theorie van spikes zal essentieel zijn, maar ik zou ook de mogelijkheid willen voorstellen om te detecteren, creëren, of ze vernietigen door dezelfde fysieke processen die ze van nature ondersteunen.

© 2017 Fys.org