whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA
Cyborgs zijn niet langer science fiction. Het gebied van brain-machine interfaces (BMI) - waarbij elektroden, vaak geïmplanteerd in de hersenen, worden gebruikt om neuronale informatie te vertalen in commando's die externe systemen zoals een computer of robotarm kunnen besturen - bestaan al enige tijd. Het bedrijf van ondernemer Elon Musk, Neuralink, streeft ernaar test hun BMI-systemen op een menselijke patiënt tegen het einde van 2020.
Op de lange termijn kunnen BMI-apparaten de symptomen van neurologische aandoeningen helpen controleren en behandelen en kunstmatige ledematen beheersen. Maar ze kunnen ook een blauwdruk bieden om kunstmatige intelligentie te ontwerpen en zelfs directe hersen-tot-hersencommunicatie mogelijk te maken. Voorlopig is de belangrijkste uitdaging echter om BMI's te ontwikkelen die beschadiging van hersenweefsel en cellen tijdens implantatie en operatie voorkomen.
BMI's bestaan al meer dan tien jaar en helpen mensen die het vermogen hebben verloren om hun ledematen te beheersen, bijvoorbeeld. Conventionele implantaten - vaak gemaakt van silicium - zijn orden van grootte stijver dan het eigenlijke hersenweefsel, wat leidt tot onstabiele opnames en schade naar omringend hersenweefsel.
Ze kunnen ook leiden tot een immuunrespons waarin de hersenen het implantaat afwijzen. Dit komt omdat ons menselijk brein is als een bewaakt fort en het neuro-immuunsysteem - zoals soldaten in dit gesloten fort - neuronen (hersencellen) zal beschermen tegen indringers, zoals pathogenen of BMI.
Flexibele apparaten
Om schade en immuunresponsen te voorkomen, richten onderzoekers zich steeds meer op de ontwikkeling van zogenaamde 'flexibele BMI'. Deze zijn veel zachter dan siliconenimplantaten en lijken op echt hersenweefsel.
Een wafeltje van tienduizenden flexibele elektroden, elk veel kleiner dan een haar. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA
Neuralink maakte bijvoorbeeld zijn eerste ontwerp flexibele "threads" en inserter - kleine, draadachtige sondes, die veel flexibeler zijn dan eerdere implantaten - om een menselijk brein rechtstreeks aan een computer te koppelen. Deze zijn ontworpen om de kans te minimaliseren dat de immuunrespons van de hersenen de elektroden afstoot na het inbrengen tijdens hersenchirurgie.
Ondertussen onderzoekers van Lieber-groep aan de Harvard University heeft onlangs een mini-mesh-sonde ontworpen die zo veel lijkt op echte neuronen dat de hersenen de bedriegers niet kunnen identificeren. Deze bio-geïnspireerde elektronica bestaan uit platina-elektroden en ultradunne gouden draden ingekapseld door een polymeer met een grootte en flexibiliteit vergelijkbaar met neuroncellichamen en neurale zenuwvezels.
Onderzoek naar knaagdieren heeft aangetoond dat dit het geval is neuron-achtige probes wek geen immuunrespons op wanneer het in de hersenen wordt ingebracht. Ze kunnen zowel de functie als de migratie van neuronen volgen.
Verhuizen naar cellen
De meeste BMI's die tegenwoordig worden gebruikt, vangen elektrische hersensignalen op die buiten de neuronen zijn gelekt. Als we aan het neurale signaal denken als een geluid dat in een kamer wordt gegenereerd, is de huidige manier van opnemen daarom luisteren naar het geluid buiten de kamer. Helaas wordt de intensiteit van het signaal sterk verminderd door het filtereffect van de wand - de neuronmembranen.
Voor het verkrijgen van de meest nauwkeurige functionele meetwaarden om meer controle over bijvoorbeeld kunstmatige ledematen te creëren, moeten elektronische opnameapparaten directe toegang krijgen tot het inwendige van neuronen. De meest gebruikte conventionele methode voor deze intracellulaire opname is de "patchklemelektrode": een holle glazen buis gevuld met een elektrolytoplossing en een opname-elektrode in contact gebracht met het membraan van een geïsoleerde cel. Maar een micrometerbrede tip veroorzaakt onomkeerbare schade aan de cellen. Bovendien kan het slechts een paar cellen tegelijk opnemen.
Om deze problemen aan te pakken, hebben we onlangs een haarspeldachtige 3D nanodraad transistorarray en gebruikte het om intracellulaire elektrische activiteiten van meerdere neuronen te lezen. Belangrijk is dat we dit konden doen zonder identificeerbare cellulaire schade. Onze nanodraden zijn extreem dun en flexibel, en gemakkelijk gebogen in de haarspeldvorm - de transistoren zijn slechts ongeveer 15x15x50 nanometers. Als een neuron de grootte van een kamer had, zouden deze transistors ongeveer de grootte hebben van een deurslot.
Gecoat met een stof die het gevoel van een celmembraan nabootst, kunnen deze ultrakleine, flexibele nanodraadsondes de celmembranen kruisen met minimale inspanning. En ze kunnen intracellulair geklets opnemen met hetzelfde precisieniveau als hun grootste concurrent: patchklemelektroden.
Het is duidelijk dat deze vooruitgang belangrijke stappen zijn in de richting van nauwkeurige en veilige BMI's die nodig zullen zijn als we ooit complexe taken zoals hersen-tot-hersencommunicatie moeten bereiken.
Het klinkt misschien een beetje eng, maar uiteindelijk, als onze medische professionals ons lichaam beter blijven begrijpen en ons helpen ziekten te behandelen en langer te leven, is het belangrijk dat we de grenzen van de moderne wetenschap blijven verleggen om ze de best mogelijke te geven tools om hun werk te doen. Om dit mogelijk te maken, is een minimaal invasieve kruising tussen mens en machine onvermijdelijk.
Over de auteur
Yunlong Zhao, docent energieopslag en bio-elektronica, Universiteit van Surrey
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Boeken over het verbeteren van prestaties uit de bestsellerlijst van Amazon
"Peak: geheimen van de nieuwe wetenschap van expertise"
door Anders Ericsson en Robert Pool
In dit boek putten de auteurs uit hun onderzoek op het gebied van expertise om inzicht te geven in hoe iemand zijn of haar prestaties op elk gebied van het leven kan verbeteren. Het boek biedt praktische strategieën voor het ontwikkelen van vaardigheden en het bereiken van meesterschap, met een focus op bewuste oefening en feedback.
Klik voor meer info of om te bestellen
"Atomic Habits: een gemakkelijke en bewezen manier om goede gewoonten op te bouwen en slechte te doorbreken"
door James Clear
Dit boek biedt praktische strategieën om goede gewoonten aan te leren en slechte gewoonten te doorbreken, met de nadruk op kleine veranderingen die tot grote resultaten kunnen leiden. Het boek is gebaseerd op wetenschappelijk onderzoek en voorbeelden uit de praktijk om bruikbaar advies te geven aan iedereen die zijn gewoonten wil verbeteren en succes wil behalen.
Klik voor meer info of om te bestellen
"Mindset: de nieuwe psychologie van succes"
door Carol S. Dweck
In dit boek onderzoekt Carol Dweck het concept van mindset en hoe dit onze prestaties en succes in het leven kan beïnvloeden. Het boek biedt inzicht in het verschil tussen een vaste mindset en een groeimindset, en biedt praktische strategieën voor het ontwikkelen van een groeimindset en het behalen van meer succes.
Klik voor meer info of om te bestellen
"De kracht van gewoonte: waarom we doen wat we doen in het leven en zaken doen"
door Charles Duhigg
In dit boek onderzoekt Charles Duhigg de wetenschap achter gewoontevorming en hoe deze kan worden gebruikt om onze prestaties op alle gebieden van het leven te verbeteren. Het boek biedt praktische strategieën voor het ontwikkelen van goede gewoonten, het doorbreken van slechte en het creëren van blijvende verandering.
Klik voor meer info of om te bestellen
"Slimmer Sneller Beter: de geheimen van productief zijn in het leven en in het bedrijfsleven"
door Charles Duhigg
In dit boek onderzoekt Charles Duhigg de wetenschap van productiviteit en hoe deze kan worden gebruikt om onze prestaties op alle gebieden van het leven te verbeteren. Het boek is gebaseerd op praktijkvoorbeelden en onderzoek om praktisch advies te geven voor het bereiken van meer productiviteit en succes.
