Οι μηχανικοί ανοίγουν το δρόμο για μελλοντική προσθετική με νεύρα

Μια διεπιστημονική ομάδα στο UNSW βρήκε έναν τρόπο να μετατρέψει τις νευρικές ώσεις σε φως, ανοίγοντας το δρόμο για πιο επεκτάσιμα νευρικά εμφυτεύματα.

Οι βιοϊατρικοί και ηλεκτρολόγοι μηχανικοί στο UNSW Sydney ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο μέτρησης της νευρικής δραστηριότητας χρησιμοποιώντας φως – αντί για ηλεκτρισμό – που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια πλήρη αναθεώρηση των ιατρικών τεχνολογιών όπως οι νευρικές προθέσεις και οι διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής.

Ο καθηγητής François Ladouceur, από τη Σχολή Ηλεκτρολόγων και Μηχανικών Τηλεπικοινωνιών του UNSW, λέει ότι η διεπιστημονική ομάδα μόλις απέδειξε στο εργαστήριο αυτό που θεωρητικά είχε αποδειχθεί λίγο πριν την πανδημία: αισθητήρες κατασκευασμένοι με χρήση υγρών κρυστάλλων και ενσωματωμένων τεχνολογιών οπτικής. – που ονομάζεται “optrode” – μπορούν να καταγράψουν νευρικές ώσεις στο σώμα ενός ζώου.

Όχι μόνο αυτά τα optrode λειτουργούν όπως τα συμβατικά ηλεκτρόδια – τα οποία χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να ανιχνεύσουν μια νευρική ώθηση – αλλά αντιμετωπίζουν επίσης “πολύ δύσκολα προβλήματα που οι ανταγωνιστικές τεχνολογίες δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν”, λέει ο καθηγητής Ladouceur.

Πρώτον, είναι πολύ δύσκολο να μειωθεί το μέγεθος της διεπαφής χρησιμοποιώντας συμβατικά ηλεκτρόδια, έτσι ώστε χιλιάδες από αυτά να μπορούν να συνδεθούν με χιλιάδες νεύρα σε μια πολύ μικρή περιοχή.

Ένα από τα προβλήματα όταν συρρικνώνετε χιλιάδες ηλεκτρόδια και τα φέρνετε πιο κοντά μεταξύ τους για να προσκολληθούν σε βιολογικούς ιστούς είναι ότι αυξάνεται η ατομική τους αντίσταση, γεγονός που μειώνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο, επομένως έχουμε πρόβλημα στην ανάγνωση του σήματος. Αυτό το ονομάζουμε «αναντιστοιχία σύνθετης αντίστασης».

“Ένα άλλο πρόβλημα είναι το “crosstalk” – όταν συστέλλετε αυτά τα ηλεκτρόδια και τα φέρνετε πιο κοντά, αρχίζουν να μιλάνε μεταξύ τους ή να επηρεάζουν το ένα το άλλο λόγω της εγγύτητας.”

Αλλά επειδή τα optodes χρησιμοποιούν φως, όχι ηλεκτρισμό, για την ανίχνευση νευρικών σημάτων, τα προβλήματα αναντιστοιχίας σύνθετης αντίστασης είναι περιττά και οι παρεμβολές ελαχιστοποιούνται.

«Το πραγματικό πλεονέκτημα της προσέγγισής μας είναι ότι μπορούμε να κάνουμε αυτή τη σύνδεση πολύ πυκνή στον οπτικό τομέα και δεν πληρώνουμε το τίμημα που πρέπει να πληρώσετε στον ηλεκτρικό τομέα», λέει ο καθηγητής Ladouceur.

Επίδειξη in vivo

Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Neuroengineering, ο καθηγητής Ladouceur και οι συνάδελφοί του στο UNSW ήθελαν να δείξουν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν optrodes για να μετρήσουν με ακρίβεια τα νευρικά ερεθίσματα καθώς ταξιδεύουν κατά μήκος μιας νευρικής ίνας σε ένα ζώο.

Ο καθηγητής Scientia Nigel Lovell, ο οποίος είναι κοσμήτορας της Graduate School of Biomedical Engineering και διευθυντής του Health Engineering Institute του Tyree Foundation, ήταν μέρος της ερευνητικής ομάδας που προσπάθησε να το αποδείξει αυτό στο εργαστήριο.

Η ομάδα προσάρτησε ένα οπτρό στο ισχιακό νεύρο ενός αναισθητοποιημένου ζώου, λέει. Στη συνέχεια το νεύρο διεγείρεται με μικρό ρεύμα και τα νευρικά σήματα καταγράφονται με οπτρό. Στη συνέχεια έκαναν το ίδιο πράγμα χρησιμοποιώντας ένα συμβατικό ηλεκτρόδιο και έναν βιοενισχυτή.

«Δείξαμε ότι οι νευρικές αποκρίσεις είναι ουσιαστικά οι ίδιες», λέει ο καθηγητής Lowell. Υπάρχει ακόμα περισσότερος θόρυβος στο οπτικό, αλλά δεδομένου ότι αυτή η τεχνολογία είναι αρκετά νέα, δεν αποτελεί έκπληξη και μπορούμε να εργαστούμε πάνω σε αυτήν. «Αλλά τελικά, μπορούμε να ανιχνεύσουμε τις ίδιες ιδιότητες με ηλεκτρική ή οπτική μέτρηση».

Μια νέα αυγή για την προσθετική

Μέχρι στιγμής η ομάδα έχει καταφέρει να δείξει ότι οι νευρικές ώσεις – οι οποίες είναι σχετικά αδύναμες και μετρώνται σε μικροβολτ – μπορούν να καταγραφούν με την τεχνολογία optrode. Το επόμενο βήμα θα είναι η αύξηση του αριθμού των οπτόδων ώστε να είναι σε θέση να διαχειρίζονται πολύπλοκα δίκτυα νευρικού και διεγέρσιμου ιστού.

Ο καθηγητής Ladouceur λέει στην αρχή του έργου, οι συνάδελφοί του αναρωτήθηκαν, πόσες νευρικές συνδέσεις χρειάζεται ένας άνδρας ή μια γυναίκα για να χειριστεί το χέρι με έναν βαθμό φινέτσας;

«Να μπορείς να σηκώσεις ένα αντικείμενο, να μπορείς να κρίνεις την τριβή, να μπορείς να ασκήσεις τη σωστή πίεση για να το κρατήσεις, να μπορείς να κινηθείς από το Α στο Β με ακρίβεια, να μπορείς να πηγαίνεις γρήγορα και αργά— Όλα αυτά τα πράγματα που δεν σκεφτόμαστε καν πότε θα κάνουμε αυτές τις ενέργειες.Η απάντηση δεν είναι τόσο ξεκάθαρη, έπρεπε να ψάξουμε λίγο τη βιβλιογραφία, αλλά πιστεύουμε ότι είναι περίπου 5.000 με 10.000 συνδέσεις.

Με άλλα λόγια, μεταξύ του εγκεφάλου και του χεριού σας υπάρχει μια δέσμη νεύρων που ταξιδεύει προς τα κάτω από τον φλοιό σας και τελικά χωρίζεται σε 5.000 έως 10.000 νεύρα που ελέγχουν τις λεπτές λειτουργίες του χεριού σας.

Εάν ένα τσιπ με χιλιάδες οπτικές συνδέσεις μπορεί να συνδεθεί στον εγκέφαλό σας ή κάπου στο χέρι πριν αποκοπεί η δέσμη του νεύρου, ένα προσθετικό χέρι θα μπορούσε ενδεχομένως να λειτουργήσει με την ίδια ικανότητα με ένα προσθετικό χέρι.

Αυτό είναι το όνειρο, ωστόσο, και ο καθηγητής Ladouceur λέει ότι είναι πιθανό να υπάρξουν δεκαετίες περαιτέρω έρευνας προτού γίνει πραγματικότητα. Αυτό περιλαμβάνει την ανάπτυξη της αμφίδρομης ικανότητας των optrodes. Όχι μόνο λαμβάνουν και ερμηνεύουν εγκεφαλικά σήματα καθ’ οδόν προς το σώμα, αλλά μπορούν να λάβουν ανατροφοδότηση με τη μορφή νευρικών ερεθισμάτων που επιστρέφουν στον εγκέφαλο.

The Long Game: The Brain-Machine Interface

Οι νευροπροσθέσεις δεν είναι ο μόνος χώρος που η τεχνολογία optode έχει τη δυνατότητα να επαναπροσδιορίσει. Οι άνθρωποι έχουν από καιρό φαντασιωθεί την ενσωμάτωση τεχνολογίας και μηχανημάτων στο ανθρώπινο σώμα για να το επισκευάσουν ή να το βελτιώσουν.

Ορισμένα από αυτά είναι πλέον πραγματικότητα, όπως τα κοχλιακά εμφυτεύματα, οι βηματοδότες και οι καρδιακοί απινιδωτές, για να μην αναφέρουμε τα έξυπνα ρολόγια και άλλες συσκευές παρακολούθησης που παρέχουν συνεχή βιοανάδραση.

Αλλά ένας από τους πιο φιλόδοξους στόχους στη βιοϊατρική μηχανική και τη νευροεπιστήμη είναι η διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής, η οποία στοχεύει να συνδέσει τον εγκέφαλο όχι μόνο με το υπόλοιπο σώμα, αλλά ενδεχομένως και με τον κόσμο.

«Η περιοχή νευρωνικής διεπαφής είναι ένα απίστευτα συναρπαστικό πεδίο και θα αποτελέσει αντικείμενο έντονης έρευνας και ανάπτυξης την επόμενη δεκαετία», λέει ο καθηγητής Lowell.

Αν και αυτό είναι περισσότερο φαντασία παρά πραγματικότητα αυτή τη στιγμή, πολλές εταιρείες βιοτεχνολογίας το παίρνουν πολύ σοβαρά. Ο επιχειρηματίας Elon Musk συνίδρυσε τη Neuralink, η οποία στοχεύει στη δημιουργία διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή με τη δυνατότητα να βοηθήσει τα άτομα με παράλυση, καθώς και να ενσωματώσει την τεχνητή νοημοσύνη στις δραστηριότητες του εγκεφάλου μας.

Η προσέγγιση της Neuralink χρησιμοποιεί συμβατικά ηλεκτρόδια καλωδίων στις συσκευές της, επομένως πρέπει να ξεπεράσει αναντιστοιχίες σύνθετης αντίστασης και παρεμβολές – μεταξύ πολλών άλλων προκλήσεων – εάν θέλει να δημιουργήσει συσκευές που να φιλοξενούν χιλιάδες, αν όχι εκατομμύρια, συνδέσεις εγκεφάλου-συσκευής. Ο κ. Μασκ πρόσφατα αναφέρθηκε ότι είναι απογοητευμένος με τον αργό ρυθμό ανάπτυξης της τεχνολογίας.

Ο καθηγητής Ladouceur λέει ότι ο χρόνος θα δείξει εάν η Neuralink και οι ανταγωνιστές της θα καταφέρουν να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι εμφυτεύσιμες και in vivo συσκευές που καταγράφουν τη νευρική δραστηριότητα περιορίζονται επί του παρόντος σε περίπου 100 ηλεκτρόδια, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος.

«Δεν λέω ότι είναι αδύνατο, αλλά αν θέλετε να μείνετε σε τυπικά ηλεκτρόδια, γίνεται πραγματικά προβληματικό», λέει ο καθηγητής Ladouceur.

Δεν έχουμε αυτά τα προβλήματα στο οπτικό πεδίο. Στις συσκευές μας, εάν υπάρχει νευρική δραστηριότητα, η παρουσία της επηρεάζει τον προσανατολισμό του υγρού κρυστάλλου, τον οποίο μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να ποσοτικοποιήσουμε ρίχνοντας φως σε αυτόν. Αυτό σημαίνει ότι δεν εξάγουμε ρεύμα από βιολογικούς ιστούς όπως κάνουμε με τα συρμάτινα ηλεκτρόδια. Και έτσι ο βιοαισθητήρας μπορεί να γίνει πολύ πιο αποτελεσματικά».

Τώρα που οι ερευνητές έδειξαν ότι η μέθοδος optrode λειτουργεί in vivo, σύντομα θα δημοσιεύσουν έρευνα που θα δείχνει ότι η τεχνολογία optrode είναι αμφίδρομη – ότι όχι μόνο μπορεί να διαβάσει νευρικά σήματα, αλλά και να τα γράψει.

/ Δημόσια έκδοση. Αυτό το υλικό από τον αρχικό οργανισμό/συγγραφέα μπορεί να είναι ad hoc, επεξεργασμένο για λόγους σαφήνειας, στυλ και έκτασης. Οι απόψεις και οι απόψεις που εκφράζονται είναι αυτές των συγγραφέων.

Leave a Comment