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移动世界。
无需手术就能侵入大脑通讯网络

大量的合法的科学-还有很多科幻小说-讨论如何“破解大脑。“这真的意味着,大部分时间 - 即使在虚构的例子- - - - - -涉及手术,打开头骨植入电线或设备身体进入大脑

但这是困难,危险和潜在的致命。与大脑一起使用而不需要打开患者的头骨会更聪明。神经系统疾病是常见的,影响全世界有超过10亿人所有的年龄、性别、教育程度和收入水平。我的神经工程团队的研究作为跨越美国的更广泛努力的一部分生物工程纪律,正在努力了解和缓解各种神经功能障碍,例如多发性硬化,自闭症谱系和阿尔茨海默病。

从头骨外识别并影响大脑活动,最终可以让医生诊断和治疗各种使人衰弱的神经系统疾病和精神障碍,而无需进行侵入性手术。

大脑内部的无线连接

我的团体认为我们是第一个发现新的神经细胞互相沟通的新途径。众所周知,神经是通过物理链接连接的 - 或者可能被称为“有线”连接 - 其中一个神经电池的轴突向相邻小区的树形发送电气和化学信号。

我们的研究发现神经细胞也可以进行无线通信通过使用有线活动来创造它们自己的微小电场,并感知邻近细胞产生的电场。这就产生了更多神经通路的可能性,也有助于解释为什么在执行复杂任务时,大脑的不同部位能如此迅速地连接起来。

我们能够从头骨外部监控这些电场,有效地听着神经通信。We hope that will help us find alternate, healthy connections for nerves damaged by multiple sclerosis, or rebalance nerve activity due to autism spectrum disorder, or prime neurons to fire together in specific patterns and restore long-term memories lost as a result of Alzheimer’s disease.

具体而言,我们发现大脑中的绝缘或髓鞘的神经纤维沿其长度称为动作电位的主动和发送信号时,特殊地区沿着它的长度生成a很小电场。发生这种情况的细胞区域叫做Ranvier的节点,就像小天线一样,可以传输和接收电子信号。

神经细胞图,Dhp1080/Wikimedia Commons, CC BY-SA

神经细胞图,Dhp1080/Wikimedia Commons, CC BY-SA

髓鞘或郎氏结这两个高度专门化的结构的任何破坏,不仅如此导致神经功能障碍,但周围的电场也发生了变化。

听神经

技术挑战涉及精确地瞄准大脑的特定部分来倾听。该装置必须从大致的区域接收信号的信号,大脑内的几厘米深。

头骨上的贴片天线可以在大脑内的特定位置倾听神经通信。

头骨上的贴片天线可以倾听
在一个特定的神经通讯
大脑中的位置。信贷:萨尔瓦多Morgera

一种方法是在颅骨上放置少量可弯曲的天线贴片,形成我们所说的“脑透镜”。通过比较几个补丁的读数,我们可以通过电子手段精确定位要监听的神经。我们正在设计和试验超材料- 在分子水平设计的材料 - 尤其擅长用作高精度天线可以调整以接收来自非常特定位置的信号。

没有痛苦,但潜在的巨大收益

通过监听神经之间的无线通信,我们可以识别出大脑中哪些区域的电场表明存在问题。神经活动(或缺乏活动)的详细特征可以为大脑中发生的具体问题提供线索。这些发现可以帮助诊断潜在的医疗状况,比目前的方法容易得多。

Look, for instance, at the actual case of one patient, a 38-year-old woman we’ll call “Bianca,” who has been diagnosed with multiple sclerosis, a degenerative disease of the brain and spinal cord that has no known cure. Multiple sclerosis patients’ immune systems damage the myelin sheath between the nodes of Ranvier, causing communication problems between the brain and the rest of the body. This damage radically alters the activity in the affected nerves.

监控她的疾病的进展,比安卡已经脊椎穿刺,看看她的脊髓液高水平的特定抗体与女士她也有核磁共振扫描揭示了她的大脑区域在髓受损,并将面临额外的测试来确定信息流动速度通过她的神经系统。

使用脑镜头设备将让医生监测Bianca的大脑,没有痛苦的脊髓间隙,不舒服和耗时的MRIS和CT扫描。有一天可能会让Bianca监控她自己的大脑并将数据发送给她的专家进行评估。

没有药物和手术的治疗治疗

此外,我们希望我们的方法可以带来对患者更容易的新疗法。目前,比安卡正在服用几种严重危害健康的药物,这些药物经常让她感到恶心和疲劳。她是许多想尝试不同治疗方案的人之一。

这项工作计划超越识别电场指示不健康的条件的大脑的区域。灵感来自计算机网络管理和先进的数字网络,我们正在损坏或中断的区域的路线信号,我们正在开发我们的头皮补丁系统可以的方法向大脑发送信息也是。

每一根受损的神经纤维通常都是成千上万根挤在一起的神经纤维束中的一根,而周围的神经纤维通常是健康的。我们的设备可以帮助识别髓磷脂受损的部位,并在受损点之前跟踪这些神经纤维,以获取它们未受干扰的信号。然后我们将使用大脑晶状体将互补电场传输到大脑中,将这些健康的信号发送到髓鞘受损区域,鼓励邻近的神经纤维来传递受损纤维无法传递的信息。

到目前为止,我们已经能够在一个由临床研究实验室提供脑神经参数的超级计算环境中模拟这种方法。在接下来的几个月里,我们将建造并测试一个脑透镜原型。监听大脑并与之交流,为无需手术的医学诊断和治疗提供了一套迷人的新可能性。谈话

Salvatore Domenic Morgera是南佛罗里达大学电气工程和生物工程教授。这篇文章首先出现在谈话

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