Wetenschappers ontdekken hoe ze "de hersenen kunnen hacken" zonder toevlucht te nemen tot een operatie

Tal van legitieme wetenschap - plus een heleboel sciencefiction - bespreekt manieren om 'de hersenen te hacken'. Wat dat eigenlijk betekent, meestal in de fictieve voorbeelden, is een operatie waarbij de schedel wordt geopend om draden of apparaten fysiek te implanteren. in de hersenen.

Maar dat is moeilijk, gevaarlijk en potentieel dodelijk. Het zou slimmer zijn om met de hersenen te werken zonder de schedels van de patiënt te hoeven openen. Neurologische aandoeningen komen vaak voor en treffen meer dan een miljard mensen wereldwijd, van alle leeftijden, geslachten en onderwijs- en inkomensniveaus. Het onderzoek van mijn neurale engineeringteam, als onderdeel van een bredere inzet binnen de bio-engineering, werkt aan het begrijpen en verminderen van verschillende neurologische disfuncties, zoals multiple sclerose, autismespectrumstoornissen en de ziekte van Alzheimer.

Misschien vind je dit ook leuk: video toont hersennaald die wordt getest op mensen

Het identificeren en beïnvloeden van hersenactiviteit van buiten de schedel zou artsen uiteindelijk in staat kunnen stellen om een ​​breed scala aan slopende ziekten van het zenuwstelsel en psychische stoornissen te diagnosticeren en te behandelen zonder invasieve chirurgie.

Zie ook: Geheugenverlies omkeren zou mogelijk kunnen zijn met gebruik van "therapeutische moleculen"

Draadloze verbindingen binnen de hersenen

Mijn fractie is van mening dat we de eerste zijn die een nieuwe manier hebben ontdekt waarop zenuwcellen met elkaar communiceren. Het is bekend dat zenuwen verbinding maken via fysieke verbindingen - of wat "bekabelde" verbindingen kunnen worden genoemd - waarbij de axons van één zenuwcel elektrische en chemische signalen naar de dendrieten van een naburige cel sturen.

Ons onderzoek heeft aangetoond dat zenuwcellen ook draadloos communiceren, door de bedrade activiteit te gebruiken om eigen kleine elektrische velden te maken en de velden te detecteren die naburige cellen creëren. Dit schept de mogelijkheid van veel meer neurale paden en kan helpen verklaren waarom verschillende delen van de hersenen zo snel verbinden tijdens de uitvoering van gecompliceerde taken.

We zijn in staat geweest om deze elektrische velden van buiten de schedel te volgen, effectief luisterend in zenuwcommunicatie. We hopen dat dit ons zal helpen om alternatieve, gezonde verbindingen te vinden voor zenuwen die door multiple sclerose zijn beschadigd, of om de zenuwactiviteit in evenwicht te brengen als gevolg van een autismespectrumstoornis, of primaire neuronen om gezamenlijk te vuren in specifieke patronen en langetermijnherinneringen te herstellen die verloren zijn gegaan als gevolg van de ziekte van Alzheimer.

In het bijzonder hebben we gevonden dat wanneer een geïsoleerde of gemyeliniseerde zenuwvezel in de hersenen actief is en signalen uitzendt langs de lengte die bekend staan ​​als actiepotentialen, speciale gebieden langs de lengte ervan een zeer klein elektrisch veld genereren. De cellulaire gebieden waar dit gebeurt, genaamd knooppunten van Ranvier, werken als kleine antennes die elektrische signalen kunnen verzenden en ontvangen.

Elke verstoring van de twee hoogst gespecialiseerde structuren - de myeline-schil of de knoop van Ranvier - resulteert niet alleen in neurologische disfunctie, maar ook het omliggende elektrische veld verandert.

Luisteren naar zenuwen

De technologische uitdaging bestaat erin om specifieke delen van de hersenen precies te richten om in te luisteren. Het apparaat moet signalen ontvangen van gebieden die ruwweg de diameter van een mensenhaar hebben, enkele centimeters diep in de hersenen.

Eén manier is om een ​​klein aantal flexibele antenneplakken op de schedel te plaatsen om zo een 'hersenlens' te creëren. Door metingen van verschillende vlakken te vergelijken, kunnen we ons elektronisch precies richten op de zenuwen om in te luisteren. We ontwerpen en experimenteren met metamaterialen - materialen die op moleculair niveau zijn ontwikkeld - die vooral goed zijn in het dienen als zeer nauwkeurige antennes die kunnen worden afgestemd om signalen van zeer specifieke locaties te ontvangen.

Geen pijn, maar potentieel grote winst

Door te luisteren naar draadloze communicatie tussen zenuwen, kunnen we delen van de hersenen identificeren waar de elektrische velden aangeven dat er problemen zijn. De gedetailleerde kenmerken van de activiteit van een zenuw - of een gebrek aan activiteit - kunnen aanwijzingen geven over welk specifiek probleem zich in de hersenen voordoet. Deze bevindingen kunnen helpen om potentiële medische aandoeningen veel gemakkelijker te diagnosticeren dan de huidige methoden.

Kijk bijvoorbeeld naar het werkelijke geval van één patiënt, een 38-jarige vrouw die we 'Bianca' zullen noemen, die de diagnose multiple sclerose heeft, een degeneratieve hersenziekte en ruggenmerg zonder bekende remedie.. Het immuunsysteem van meerdere sclerosepatiënten beschadigt de myeline-omhulling tussen de knooppunten van Ranvier en veroorzaakt communicatieproblemen tussen de hersenen en de rest van het lichaam. Deze schade verandert de activiteit in de aangetaste zenuwen radicaal.

Om de voortgang van haar ziekte te volgen, heeft Bianca een wervelkolom gehad om te zien of haar ruggenmergvloeistof hoge niveaus van bepaalde antilichamen heeft die geassocieerd zijn met MS. Ze heeft ook MRI-scans gemaakt om de delen van haar hersenen te onthullen waar de myeline is beschadigd en zal worden geconfronteerd met aanvullende tests om te bepalen hoe snel informatie door haar zenuwstelsel stroomt.

Met behulp van een hersenlenzenapparaat kunnen artsen Bianca's hersenen controleren zonder pijnlijke wervelkranen en ongemakkelijke en tijdrovende MRI's en CT-scans. Het kan Bianca op een dag toelaten haar eigen brein te controleren en de gegevens naar haar specialist te sturen voor evaluatie.

Therapeutische behandeling zonder medicijnen en chirurgie

Daarnaast hopen we dat onze aanpak kan leiden tot nieuwe therapieën die ook gemakkelijker zijn voor patiënten. Op dit moment neemt Bianca verschillende medicijnen die aanzienlijke gezondheidsrisico's met zich meebrengen en die haar vaak misselijk en vermoeid maken. Zij is een van de velen, die een andere therapie-optie willen proberen.

Dit werk is van plan om verder te gaan dan het identificeren van de gebieden van haar hersenen waar de elektrische velden wijzen op ongezonde omstandigheden. Geïnspireerd door computernetwerkbeheer en geavanceerde digitale netwerken, die signalen rond gebieden leiden die beschadigd of onderbroken zijn, ontwikkelen we een methode waarmee ons scalp-patchsysteem ook berichten naar de hersenen kan sturen.

Zie ook: Een hersencomputerinterface kan eenvoudige gedachten vertalen naar spraak

Elke beschadigde zenuwvezel is over het algemeen een van de duizenden die samen zijn verpakt in een stuk zenuwvezels waar naburige zenuwvezels doorgaans gezond zijn. Ons apparaat kan sites met myeline-schade helpen identificeren en die zenuwvezels achterhalen vóór het punt van schade, om hun ongestoorde signalen op te pikken. Vervolgens zouden we de hersenlens gebruiken om complementaire elektrische velden naar de hersenen over te brengen, die die gezonde signalen naar de gebieden rond de myeline-schade sturen, om naburige zenuwvezels aan te moedigen de berichten te dragen die de beschadigde vezel niet kan hebben.

Tot dusverre hebben we deze benadering kunnen simuleren in een supercomputeromgeving waar de zenuwparameters zijn geleverd door klinische onderzoekslaboratoria. In de komende maanden zullen we een prototype van een hersenlens bouwen en testen. Naar de hersenen luisteren en hiermee communiceren biedt een fascinerende nieuwe reeks mogelijkheden voor medische diagnose en behandeling zonder chirurgie.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Salvatore Domenic Morgera. Lees hier het originele artikel.