Hvad nu hvis den næste gadget til at sende beskeder til dine venner ikke var et ur, der er fastgjort til dit håndled eller en telefon, der er fyldt i lommen - men en elektronisk enhed indlejret i din hjerne? Nu har en ny type fleksibelt kredsløb bragt os et skridt nærmere denne science fiction-fremtid. Implanteret via injektion kan et gitter af ledninger, der kun er et par millimeter på tværs, kunne fortsætte med levende neuroner og tavshul på deres skrav, hvilket giver en måde, hvorpå elektronik kan gribe ind i din hjerneaktivitet.
Relateret indhold
- Stødbølger kan skabe farlige bobler i hjernen
- Lav nye minder, men hold de gamle med lidt hjælp fra elektroder
- Dette slagtilfælde kan give dig mulighed for at skrive med din hjerne
”Vi prøver at sløre sondringen mellem elektroniske kredsløb og neurale kredsløb, ” siger Charles Lieber, en nanoteknolog ved Harvard University og medforfatter til en undersøgelse, der beskriver enheden denne uge i Nature Nanotechnology.
Indtil videre er teknologien kun testet i hovederne på levende mus. Men Lieber håber i sidste ende at trække det op til mennesker. Hans støttepersoner inkluderer Fidelity Biosciences, et venturekapitalfirma, der er interesseret i nye måder at behandle neurodegenerative lidelser såsom Parkinsons sygdom. Militæret har også interesseret sig og ydet støtte gennem US Air Force's Cyborgcell-program, der fokuserer på småskalaelektronik til "præstationsforbedring" af celler.
Neural elektronik er allerede en realitet for nogle mennesker. De, der lider af alvorlige rysten eller ukontrollerbare muskelspasmer, kan finde lettelse via elektriske stød, der leveres af lange ledninger, der er gevind dybt ind i hjernen. Og quadriplegics har lært at kontrollere protetiske lemmer ved hjælp af chips indlejret i hjernen eller elektroder lagt på hjernens overflade.
Men disse teknologier kan kun bruges i alvorlige tilfælde, fordi de kræver invasive procedurer. ”Tidligere enheder har været afhængige af store indsnit og operationer, ” siger Dae-Hyeong Kim, nanoteknolog ved Seoul National University i Sydkorea.
Hvad der gør den nye tilgang anderledes er kredsløbets ekstraordinære fleksibilitet. Lavet af tråde af metal og plast, der er vævet sammen som fiskenet, er kredsløbet "hundrede tusind gange mere fleksibelt end anden implanterbar elektronik, " siger Lieber. Nettet kan rulles op, så det let kan passere gennem en sprøjtenål. Når kroppen først er inde i kroppen, springer den ud af sig selv og bliver indlejret i hjernen.
Obduktioner af injicerede mus afslørede, at ledningerne havde vævet sig ind i det sammenfiltrede stof af neuroner i løbet af uger. Stramme forbindelser dannet som plastik og hjernestof strikket sammen med tilsyneladende lidt negativ påvirkning. Denne kompatibilitet er måske fordi nettet blev modelleret efter tredimensionelle stilladser brugt af biomedicinske ingeniører til at dyrke væv uden for kroppen.
Et 3-D-mikroskopbillede viser det maske, der er injiceret i et område af hjernen kaldet den laterale ventrikel. (Lieber Research Group, Harvard University) Neuronernes aktiviteter kunne overvåges ved hjælp af mikroskopiske sensorer, der er kablet ind i kredsløbet. Spændingsdetektorer opsamlede strømme genereret af individuelle hjerneceller affyring. Disse elektriske signaler blev videresendt langs en ledning, der løb ud af hovedet til en computer.
”Dette kan give nogle indbrud i en hjerne-grænseflade for forbrugerne, ” siger Jacob Robinson, der udvikler teknologier, der bruger grænsefladen til hjernen på Rice University. "At sætte din computer ind i din hjerne bliver meget mere velsmagende, hvis alt hvad du skal gøre er at injicere noget."
For neurovidenskabsmænd, der er interesseret i, hvordan hjerneceller kommunikerer, giver dette følsomme værktøj adgang til dele af nervesystemet, som er vanskelige at studere med traditionelle teknologier. For tre måneder siden injicerede for eksempel en kollega af Lieber nogle af hans garn i musenes øjne nær nerveceller, der indsamler visuel information fra nethinden. Undersøgelse af disse celler kræver typisk at skære en del af øjet ud. Signaler, der er indsamlet af de indsprøjtede net, har hidtil været stærke, og musene forbliver sunde.
For at være nyttigt for mennesker skal Liebers team dog bevise, at nettene har endnu større levetid. Tidligere neurale elektronik har lidt af stabilitetsproblemer; de har en tendens til at miste signal over tid, når celler nær de stive indtrængende dør eller migrerer væk. Men holdet er optimistisk over, at Liebers maske vil vise sig at være mere hjernevenligt, da celler, der hidtil er stødt på, ser ud til at kæle sammen og vokse ind i dets huller.
At lytte til hjerneaktivitet er muligvis kun begyndelsen - ligesom med hverdagens kredsløb kan der tilføjes forskellige komponenter til forskellige opgaver. I et andet eksperiment injicerede Liebers team kredsløb udstyret med tryksensorer i huller inde i en blød polymer. Når polymeren blev klemt, målte sensorerne ændringer i trykket inde i hulrummet. Det kan være nyttigt til at undersøge trykændringer inde i kraniet, såsom dem, der opstår efter en traumatisk hovedskade.
Længere nede på linjen kan nettet være besat med feedback-enheder, der leverer elektrisk stimulering eller frigiver pakker med medicin til medicinsk behandling. Tilføj nogle få mikroskopiske RFID-antenner, og kredsløbet kan gå trådløst. Og sci-fi-fans skal spyt ved tanken om at installere hukommelseslagringsenheder - svarende til RAM inden i computere - for at forbedre deres egne minder.
”Vi er nødt til at gå, før vi kan løbe, men vi tror, vi virkelig kan revolutionere vores evne til at komme i kontakt med hjernen, ” siger Lieber.
