Wie neue Implantate das Gehirn mit Computern verbinden

Technologie
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Cyborgs sind keine Science-Fiction mehr. Das Gebiet der Gehirn-Maschine-Schnittstellen (BMI), bei denen Elektroden, die oft ins Gehirn implantiert werden, verwendet werden, um neuronale Informationen in Befehle umzuwandeln, mit denen externe Systeme wie ein Computer oder ein Roboterarm gesteuert werden können, gibt es bereits seit einiger Zeit. Neuralink, das Unternehmen des Unternehmers Elon Musk, strebt dies an Testen Sie ihre BMI-Systeme an einem menschlichen Patienten bis zum Ende von 2020.

Langfristig können BMI-Geräte dazu beitragen, Symptome neurologischer Störungen zu überwachen und zu behandeln und künstliche Gliedmaßen zu kontrollieren. Sie könnten aber auch eine Blaupause für das Entwerfen künstlicher Intelligenz liefern und sogar eine direkte Kommunikation von Gehirn zu Gehirn ermöglichen. Die größte Herausforderung besteht jedoch vorerst darin, BMIs zu entwickeln, die eine Schädigung von Hirngewebe und -zellen während der Implantation und Operation vermeiden.

BMIs gibt es seit über einem Jahrzehnt und helfen Menschen, die diese Fähigkeit verloren haben ihre Glieder zu kontrollieren, beispielsweise. Herkömmliche Implantate - oft aus Silizium - sind jedoch um Größenordnungen steifer als das eigentliche Hirngewebe, was dazu führt instabile Aufnahmen und Beschädigungen zum umgebenden Gehirngewebe.

Sie können auch zu einer Immunantwort in dem das Gehirn das Implantat abstößt. Dies liegt daran, dass unser menschliches Gehirn wie eine bewachte Festung ist und das Neuroimmunsystem - wie Soldaten in dieser geschlossenen Festung - Neuronen (Gehirnzellen) vor Eindringlingen wie Krankheitserregern oder dem BMI schützt.

Flexible Geräte

Um Schäden und Immunreaktionen zu vermeiden, konzentrieren sich die Forscher zunehmend auf die Entwicklung des sogenannten „flexiblen BMI“. Diese sind viel weicher als Silikonimplantate und ähneln dem tatsächlichen Gehirngewebe.

Wie neue Implantate das Gehirn mit Computern verbindenEin Wafer aus Zehntausenden von flexiblen Elektroden, die jeweils viel kleiner als ein Haar sind. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Zum Beispiel hat Neuralink seinen ersten Entwurf gemacht flexible "Fäden" und Inserter - winzige, fadenförmige Sonden, die viel flexibler als frühere Implantate sind - um ein menschliches Gehirn direkt mit einem Computer zu verbinden. Diese wurden entwickelt, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass die Immunantwort des Gehirns die Elektroden nach dem Einsetzen während einer Gehirnoperation abstößt.


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Inzwischen Forscher aus Lieber-Gruppe an der Harvard University hat kürzlich eine Mini-Mesh-Sonde entworfen, die echten Neuronen so sehr ähnelt, dass das Gehirn die Betrüger nicht identifizieren kann. Diese bioinspirierte Elektronik bestehen aus Platinelektroden und ultradünnen Golddrähten, die von einem Polymer mit ähnlicher Größe und Flexibilität wie Neuronenzellkörper und Nervenfasern eingekapselt sind.

Untersuchungen an Nagetieren haben gezeigt, dass z neuronähnliche Sonden Lösen Sie keine Immunantwort aus, wenn Sie in das Gehirn eingeführt werden. Sie können sowohl die Funktion als auch die Migration von Neuronen überwachen.

In Zellen einziehen

Die meisten heute verwendeten BMIs nehmen elektrische Gehirnsignale auf, die außerhalb der Neuronen übertragen werden. Wenn wir das neuronale Signal als einen Ton betrachten, der in einem Raum erzeugt wird, besteht die aktuelle Art der Aufnahme darin, den Ton außerhalb des Raums zu hören. Leider wird die Intensität des Signals durch die Filterwirkung der Wand - der Neuronenmembranen - stark verringert.

Um die genauesten Funktionsablesungen zu erzielen, um beispielsweise künstliche Gliedmaßen besser kontrollieren zu können, müssen elektronische Aufzeichnungsgeräte direkten Zugang zum Inneren von Neuronen erhalten. Das am weitesten verbreitete konventionelle Verfahren für diese intrazelluläre Aufzeichnung ist die "Patch-Clamp-Elektrode": eine mit einer Elektrolytlösung gefüllte hohle Glasröhre und eine mit der Membran einer isolierten Zelle in Kontakt gebrachte Aufzeichnungselektrode. Eine mikrometerbreite Spitze führt jedoch zu irreversiblen Schäden an den Zellen. Außerdem können nur wenige Zellen gleichzeitig aufgezeichnet werden.

Um diese Probleme anzugehen, haben wir kürzlich eine haarnadelartiges 3D-Nanodraht-Transistorarray und verwendet es, um intrazelluläre elektrische Aktivitäten von mehreren Neuronen zu lesen. Es ist wichtig, dass wir dies ohne erkennbare Zellschäden tun konnten. Unsere Nanodrähte sind extrem dünn und flexibel und lassen sich leicht in die Haarnadelform biegen - die Transistoren sind nur etwa 15x15x50 Nanometer groß. Wenn ein Neuron die Größe eines Raums hätte, wären diese Transistoren ungefähr so ​​groß wie ein Türschloss.

Diese ultrakleinen, flexiblen Nanodrahtsonden sind mit einer Substanz beschichtet, die das Gefühl einer Zellmembran nachahmt und können die Zellmembranen mit minimalem Aufwand durchqueren. Und sie können intrazelluläres Rattern mit der gleichen Präzision wie ihr größter Konkurrent aufzeichnen: Patch-Clamp-Elektroden.

Es ist klar, dass diese Fortschritte wichtige Schritte in Richtung präziser und sicherer BMIs sind, die erforderlich sind, wenn wir jemals komplexe Aufgaben wie die Kommunikation von Gehirn zu Gehirn lösen wollen.

Es mag ein bisschen beängstigend klingen, aber letztendlich ist es wichtig, dass wir die Grenzen der modernen Wissenschaft erweitern, um ihnen das bestmögliche Ergebnis zu bieten, wenn unsere Mediziner unseren Körper weiterhin besser verstehen und uns dabei helfen sollen, Krankheiten zu behandeln und länger zu leben Werkzeuge, um ihre Arbeit zu erledigen. Damit dies möglich ist, ist eine minimalinvasive Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine unumgänglich.Das Gespräch

Über den Autor

Yunlong Zhao, Dozent für Energiespeicherung und Bioelektronik, Universität von Surrey

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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