Hva om den neste modulen for å sende meldinger til vennene dine ikke var et klokke som er festet til håndleddet eller en telefon fylt i lommen, men en elektronisk enhet som er innebygd i hjernen din? Nå har en ny type fleksibel krets brakt oss et skritt nærmere denne science fiction-fremtiden. Implantert via injeksjon kan et rutenett av ledninger som bare er noen få millimeter på tvers, kunne fortsette med levende nevroner og avlytting på skravlingen, og tilbyr en måte elektronikk å få kontakt med hjerneaktiviteten din.
Relatert innhold
- Sjokkbølger kan skape farlige bobler i hjernen
- Lag nye minner, men hold de gamle, med litt hjelp fra elektroder
- Dette hjerneslaget kan tillate deg å skrive med hjernen din
"Vi prøver å gjøre skillet mellom elektroniske kretsløp og nevrale kretser uskarpt, " sier Charles Lieber, nanoteknolog ved Harvard University og medforfatter av en studie som beskriver enheten denne uken i Nature Nanotechnology.
Så langt har teknologien blitt testet bare i hodene til levende mus. Men Lieber håper til slutt å få det til mennesker. Hans støttespillere inkluderer Fidelity Biosciences, et risikokapitalfirma som er interessert i nye måter å behandle nevrodegenerative lidelser som Parkinsons sykdom. Militæret har også interessert seg og gitt støtte gjennom det amerikanske flyvåpenets Cyborgcell-program, som fokuserer på småskala elektronikk for "ytelsesforbedring" av celler.
Neural elektronikk er allerede en realitet for noen mennesker. De som lider av alvorlige skjelvinger eller ukontrollerbare muskelspasmer kan finne lettelse via elektriske støt, som blir levert av lange ledninger som er gjenget dypt inn i hjernen. Og quadriplegics har lært å kontrollere protetiske lemmer ved hjelp av chips som er innebygd i hjernen eller elektroder lagt på hjernens overflate.
Men disse teknologiene kan bare brukes i alvorlige tilfeller fordi de krever invasive prosedyrer. "Tidligere enheter har vært avhengige av store snitt og operasjoner, " sier Dae-Hyeong Kim, nanoteknolog ved Seoul National University i Sør-Korea.
Det som gjør den nye tilnærmingen annerledes, er kretsens eksepsjonelle fleksibilitet. Kretsen er laget av tråder av metall og plast vevd sammen som fiskenett og er hundre tusen ganger mer fleksibel enn annen implanterbar elektronikk, sier Lieber. Nettet kan rulles opp slik at det lett kan passere gjennom en sprøytenål. Når kroppen er inne i kroppen, løsner nettet av seg selv og blir innebygd i hjernen.
Obduksjon av injiserte mus avslørte at ledningene hadde vevet seg inn i det sammenfiltrede stoffet av nevroner i løpet av noen uker. Tette forbindelser dannet som plast og hjernestoff strikket sammen med tilsynelatende liten negativ innvirkning. Denne kompatibiliteten skyldes kanskje at nettet ble modellert etter tredimensjonale stillaser som ble brukt av biomedisinske ingeniører for å dyrke vev utenfor kroppen.
Et 3D-mikroskopbilde viser nettet som ble injisert i et område av hjernen kalt lateral ventrikkel. (Lieber Research Group, Harvard University) Nevronenes aktiviteter kan overvåkes ved hjelp av mikroskopiske sensorer kablet inn i kretsen. Spenningsdetektorer plukket opp strømmer generert av individuelle hjerneceller som skyter. De elektriske signalene ble videresendt langs en ledning som gikk ut av hodet til en datamaskin.
"Dette kan gi noen innbrudd i et hjerne-grensesnitt for forbrukere, " sier Jacob Robinson, som utvikler teknologier som grensesnitt mot hjernen ved Rice University. "Å koble datamaskinen til hjernen din blir mye mer smakfull hvis du bare trenger å injisere noe."
For nevrovitenskapsmenn som er interessert i hvordan hjerneceller kommuniserer, tilbyr dette følsomme verktøyet tilgang til deler av nervesystemet som er vanskelige å studere med tradisjonelle teknologier. For tre måneder siden sprøytet en kollega av Lieber for eksempel noen av nettene hans i musene, nær nerveceller som samler visuell informasjon fra netthinnen. Å prøve disse cellene krever vanligvis å kutte ut en del av øyet. Signaler samlet inn av det injiserte nettet har holdt seg sterke så langt, og musene forblir sunne.
For å være nyttig for mennesker, trenger imidlertid Liebers team å bevise at garnene har enda større levetid. Tidligere nevral elektronikk har lidd av stabilitetsproblemer; de har en tendens til å miste signal over tid når celler i nærheten av de stive inntrengerne dør eller vandrer bort. Men teamet er optimistiske over at Liebers nett vil vise seg å være mer hjernevennlig, siden celler som hittil møter det ser ut til å kose seg og vokse ut i hullene.
Å lytte til hjerneaktivitet kan være bare begynnelsen - som med hverdagskretser, kan forskjellige komponenter legges til for forskjellige oppgaver. I et annet eksperiment injiserte Liebers team kretser utstyrt med trykksensorer i hull inne i en myk polymer. Da polymeren ble klemt, målte sensorene endringer i trykk inne i hulrommene. Det kan være nyttig for å undersøke trykkendringer inne i hodeskallen, for eksempel de som oppstår etter en traumatisk hodeskade.
Lenger nede på linjen kan nettet være pyntet med tilbakemeldingsinnretninger som leverer elektrisk stimulering eller frigjør pakker medikamenter til medisinsk behandling. Legg til noen få mikroskopiske RFID-antenner, så kan kretsløpet gå trådløst. Og sci-fi-vifter bør spytte ved tanken på å installere minne lagringsenheter - som ligner på RAM på datamaskiner - for å forbedre sine egne minner.
"Vi må gå før vi kan løpe, men vi tror vi virkelig kan revolusjonere vår evne til å komme i kontakt med hjernen, " sier Lieber.
