Forskare upptäcker hur man "hackar hjärnan" utan att ge sig till kirurgi

Massor av legitim vetenskap - plus en hel del science fiction - diskuterar sätt att "hacka hjärnan". Vad det egentligen betyder, mestadels - även i de fiktiva exemplen - innefattar kirurgi och öppnar skallen till implantattrådar eller enheter fysiskt in i hjärnan.

Men det är svårt, farligt och potentiellt dödligt. Det skulle vara smartare att arbeta med hjärnan utan att behöva öppna patienternas skalle. Neurologiska störningar är vanliga, som påverkar mer än en miljard människor över hela världen, i alla åldrar, kön, och utbildnings- och inkomstnivåer. Mitt neuraltekniklags forskning, som en del av en bredare insats inom bioengineeringsdisciplinen, arbetar mot förståelse och lindring av olika neurologiska dysfunktioner, såsom multipel skleros, autismspektrum störning och Alzheimers sjukdom.

Du kanske också gillar: Video Shows Brain Needle som testas på människor

Att identifiera och påverka hjärnaktivitet från utsidan av kraniet kan så småningom tillåta läkare att diagnostisera och behandla ett brett spektrum av försvagande nervsystemet och psykiska störningar utan invasiv operation.

Se även: Återföring av minnesförlust kan vara möjligt med användning av "terapeutiska molekyler"

Trådlösa anslutningar inom hjärnan

Min grupp anser att vi är de första som har upptäckt ett nytt sätt att nervceller kommunicerar med varandra. Nerver är kända för att ansluta genom fysiska länkar - eller vad som kan kallas "trådbundna" anslutningar - där axlarna i en nervcell skickar elektriska och kemiska signaler till dendriter i en närliggande cell.

Vår forskning har visat att nervceller också kommunicerar trådlöst, genom att använda den trådbundna aktiviteten för att skapa små elektriska fält av sig själva och känna av de fält som angränsande celler skapar. Detta skapar möjligheten till många fler neurala vägar och kan hjälpa till att förklara varför olika delar av hjärnan kopplas så snabbt under utförandet av komplicerade uppgifter.

Vi har kunnat övervaka dessa elektriska fält från utsidan av skallen och lyssnar effektivt på nervkommunikation. Vi hoppas att det kommer att hjälpa oss att hitta alternativa, hälsosamma kopplingar till nerver skadade av multipel skleros eller återbalansera nervaktivitet på grund av autismspektrumstörning eller primära neuroner att skjuta ihop i specifika mönster och återställa långsiktiga minnen som förlorats till följd av Alzheimers sjukdom.

Specifikt har vi funnit när en isolerad eller myelinerad nervfibrer i hjärnan är aktiv och skickar signaler längs dess längd känd som åtgärdspotentialer, genererar särskilda regioner längs dess längd ett mycket litet elektriskt fält. De cellulära områdena där detta händer kallas nodar av Ranvier, fungerar som små antenner som kan sända och ta emot elektriska signaler.

Eventuella störningar av de två högspecialiserade strukturerna - myelinskeden eller noden av Ranvier - resulterar inte bara i neurologisk dysfunktion, utan även det omgivande elektriska fältet ändras.

Lyssna på nerv

Den tekniska utmaningen innebär att justera specifika delar av hjärnan för att lyssna på. Enheten måste ta emot signaler från områden som är ungefär diametern hos ett mänskligt hår, flera centimeter djupt inuti hjärnan.

Ett sätt är att placera ett litet antal flexibla antennplåster på skallen för att skapa det som vi kallar en "hjärnlins". Att jämföra läsningar från flera fläckar låter oss elektroniskt rikta precis nerverna för att lyssna på. Vi designar och experimenterar med metamaterial - material konstruerade på molekylär nivå - som är speciellt bra för att fungera som hög noggrannhet antenner som kan anpassas för att ta emot signaler från mycket specifika platser.

Ingen smärta, men potentiellt stor vinst

Genom att lyssna på trådlös kommunikation mellan nerver kan vi identifiera delar av hjärnan där elektriska fält indikerar att det finns problem. De detaljerade egenskaperna hos en nervs aktivitet - eller brist på aktivitet - kan ge ledtrådar om vilket specifikt problem som uppstår i hjärnan. Dessa resultat kan hjälpa till att diagnostisera potentiella medicinska förhållanden mycket lättare än nuvarande metoder.

Titta till exempel i det faktiska fallet av en patient, en 38-årig kvinna vi kallar "Bianca", som har diagnostiserats med multipel skleros, en degenerativ sjukdom i hjärnan och ryggmärgen som inte har någon känd botemedel. Multiple skleros patienters immunsystem skador myelinmanteln mellan nodarna på Ranvier, vilket orsakar kommunikationsproblem mellan hjärnan och resten av kroppen. Denna skada förändrar radikalt aktiviteten i de drabbade nerverna.

För att övervaka sjukdomsframstegen har Bianca haft spinalkranar för att se om hennes spinalvätska har höga halter av speciella antikroppar associerade med MS. Hon har också haft MR-skanningar för att avslöja de områden i hennes hjärna där myelinen är skadad och kommer att möta ytterligare test för att avgöra hur snabbt informationen flyter genom nervsystemet.

Med hjälp av en hjärnlinsenhet skulle läkare övervaka Biancas hjärna utan smärtsamma ryggkranar och obehagliga och tidskrävande MR-skador och CT-skanningar. Det kan någon dag tillåta Bianca att övervaka sin egen hjärna och skicka data till sin specialist för utvärdering.

Terapeutisk behandling utan drog och kirurgi

Dessutom hoppas vi att vårt tillvägagångssätt kan leda till nya terapier som också är enklare på patienter. För närvarande tar Bianca flera droger som bär betydande hälsorisker och får henne ofta att känna sig illamående och trötta. Hon är en av många, som vill prova ett annat behandlingsalternativ.

Detta arbete planerar att gå utöver att identifiera regionerna i hennes hjärna där de elektriska fälten indikerar ohälsosamma förhållanden. Inspirerad av datanätverkshantering och avancerade digitala nätverk, vilken väg signalerar kring områden som är skadade eller avbrutna, utvecklar vi en metod där vårt hårbottenfacksystem kan skicka meddelanden till hjärnan också.

Se också: Ett hjärndatorinterface kan översätta enkla tankar till tal

Varje skadad nervfibrer är i allmänhet en tusentals packade ihop i ett nervcellsfält där närliggande nervfibrer är vanligtvis friska. Vår enhet kan hjälpa till att identifiera webbplatser med myelinskador och följa dessa nervfibrer tillbaka före skadan, för att hämta sina ostörda signaler. Då skulle vi använda hjärnlinsen för att överföra komplementära elektriska fält i hjärnan, skicka de friska signalerna till områdena kring myelinskadorna, för att uppmuntra grannnerven att bära meddelanden som den skadade fibern inte kan.

Hittills har vi kunnat simulera detta tillvägagångssätt i en super-computermiljö där hjärnnervaparametrar har tillhandahållits av kliniska laboratorier. Under de kommande månaderna kommer vi att bygga och testa en prototyp av hjärnlinsen. Lyssna in i hjärnan och kommunicera med det erbjuder en fascinerande ny uppsättning möjligheter till medicinsk diagnos och behandling utan operation.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Salvatore Domenic Morgera. Läs den ursprungliga artikeln här.