whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Cyborg bukan fiksyen sains lagi. Bidang antarmuka mesin otak (BMI) - yang menggunakan elektrod, sering ditanamkan ke dalam otak, untuk menerjemahkan maklumat neuron ke dalam perintah yang mampu mengawal sistem luaran seperti komputer atau lengan robot - telah lama wujud. Syarikat usahawan Elon Musk, Neuralink, bertujuan untuk menguji sistem BMI mereka pada pesakit manusia menjelang akhir 2020.

Dalam jangka masa panjang, peranti BMI boleh membantu memantau dan merawat gejala gangguan neurologi dan mengawal anggota tiruan. Tetapi mereka juga boleh menyediakan pelan tindakan untuk merangka kecerdasan buatan dan bahkan membolehkan komunikasi otak-ke-otak secara langsung. Walau bagaimanapun, pada masa ini, cabaran utama adalah untuk membangunkan BMI yang mengelakkan merosakkan tisu dan sel otak semasa implantasi dan operasi.

BMI telah berada di sekitar selama sedekad, membantu orang yang kehilangan kemampuannya untuk mengawal anggota badan mereka, sebagai contoh. Walau bagaimanapun, implan konvensional - selalunya diperbuat daripada silikon - adalah perintah magnitud yang lebih besar daripada tisu otak sebenar, yang membawa kepada rakaman dan kerosakan yang tidak stabil untuk tisu otak sekitar.

Mereka juga boleh membawa kepada tindak balas imun di mana otak menolak implan. Ini kerana otak manusia kita seperti kubu yang dijaga, dan sistem tentera seperti neuroimun di kubu tertutup ini akan melindungi neuron (sel otak) daripada penceroboh, seperti patogen atau BMI.

Peranti fleksibel

Untuk mengelakkan kerosakan dan tindak balas imun, para penyelidik semakin menumpukan kepada perkembangan yang disebut "BMI yang fleksibel". Ini jauh lebih lembut daripada implan silikon dan serupa dengan tisu otak sebenar.

A wafer puluhan ribu elektrod fleksibel, setiap lebih kecil daripada rambut. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Sebagai contoh, Neuralink membuat rancangannya yang pertama fleksibel "benang" dan pengintipan - Probe seperti kecil, seperti benang, yang jauh lebih fleksibel daripada implan sebelumnya - untuk menghubungkan otak manusia secara langsung ke komputer. Ini direka untuk meminimumkan kemungkinan tindak balas imun otak menolak elektrod selepas dimasukkan ke dalam pembedahan otak.

{vembed Y = kPGa_FuGPIc}

Sementara itu, penyelidik dari Kumpulan Lieber di Harvard University baru-baru ini direka penyelidikan mesh mini yang kelihatan seperti neuron sebenar yang otak tidak dapat mengenal pasti penipu. Ini bio-inspirasi elektronik terdiri daripada elektrod platinum dan wayar emas ultra-nipis yang dikemas dengan polimer dengan saiz dan fleksibiliti yang serupa dengan badan sel neuron dan serabut saraf saraf.

Penyelidikan mengenai tikus telah menunjukkan bahawa itu probe seperti neuron tidak mendapat tindak balas imun apabila dimasukkan ke dalam otak. Mereka dapat memantau kedua-dua fungsi dan penghijrahan neuron.

Bergerak ke dalam sel

Kebanyakan BMI yang digunakan hari ini mengambil isyarat elektrik elektrik yang dibocorkan di luar neuron. Jika kita memikirkan isyarat saraf seperti bunyi yang dijana di dalam bilik, cara rakaman semasa adalah untuk mendengar bunyi di luar bilik. Malangnya, keamatan isyarat ini dikurangkan dengan kesan penapisan dinding - membran neuron.

Untuk mencapai pembacaan fungsi yang paling tepat untuk mewujudkan kawalan yang lebih besar seperti anggota tiruan, alat rakaman elektronik perlu mendapatkan akses langsung ke bahagian dalam neuron. Kaedah konvensional yang paling banyak digunakan untuk rakaman intrasel ini ialah "elektrod penjepit paten": tiub kaca berongga yang diisi dengan larutan elektrolit dan elektrod rakaman yang dihubungkan dengan membran sel terpencil. Tetapi tip-tip mikrometre menyebabkan kerosakan yang tidak dapat dipulihkan ke sel-sel. Terlebih lagi, ia hanya dapat merakam beberapa sel pada satu masa.

Untuk menangani isu ini, kami baru-baru ini telah membangunkan a array seperti 3D nanowire array transistor dan menggunakannya untuk membaca aktiviti elektrik intracellular daripada pelbagai neuron. Yang penting, kami dapat melakukan ini tanpa sebarang kerosakan selular yang boleh dikenalpasti. Nanowires kami sangat nipis dan fleksibel, dan dengan mudah melengkung ke dalam bentuk rambutnya - transistor hanya kira-kira nanometer 15x15x50. Sekiranya neuron adalah saiz bilik, transistor ini akan menjadi saiz kunci pintu.

Dilapisi dengan bahan yang meniru rasa membran sel, probe ultra kecil, fleksibel, nanowire ini boleh menyebarkan membran sel dengan usaha yang minimum. Dan mereka boleh merekodkan perbualan intraselular dengan tahap ketepatan yang sama sebagai pesaing mereka yang terbesar: elektrod pelekat patch.

Jelas sekali kemajuan ini adalah langkah penting ke arah BMI yang tepat dan selamat yang perlu jika kita dapat mencapai tugas yang kompleks seperti komunikasi otak-ke-otak.

Ia mungkin agak menakutkan tetapi akhirnya, jika profesional perubatan kita akan terus memahami badan kita dengan lebih baik dan membantu kita merawat penyakit dan hidup lebih lama, adalah penting bahawa kita terus mendorong sempadan sains moden untuk memberi mereka yang terbaik alat untuk melakukan pekerjaan mereka. Untuk ini mungkin, persimpangan minimum antara manusia dan mesin tidak dapat dielakkan.

Tentang Pengarang

Yunlong Zhao, Pensyarah Penyimpanan Tenaga dan Bioelektronik, Universiti Surrey

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.