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黑客攻击大脑的通讯网络 - 没有手术

大量的合法的科学- 加一大批科幻小说- 讨论“方法”破解大脑这句话的真正含义是什么呢虚构的例子-包括手术,打开颅骨到植入线或设备物理地进入大脑

但这很困难,很危险,甚至可能致命。更聪明的做法是不需要打开病人的头骨就能利用大脑工作。神经系统疾病是常见的,影响全世界超过10亿人,所有年龄段,性别和教育和收入水平的。我神经工程团队的研究,作为更广泛努力的一部分生物工程他致力于理解和缓解各种神经功能障碍,如多发性硬化症、自闭症谱系障碍和阿尔茨海默氏症。

从颅骨外识别和影响大脑活动最终可能最终允许医生诊断和治疗广泛的衰弱的神经系统疾病和精神障碍,而不会侵入手术。

大脑内的无线连接

我的团队相信我们是第一个发现神经细胞相互交流的新方式的人。众所周知,神经通过物理连接——或被称为“有线”连接——一个神经细胞的轴突向邻近细胞的树突发送电子和化学信号。

我们的研究发现了神经细胞也无线沟通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。

我们已经能够从头骨外部监测这些电场,有效地监听神经通信。我们希望这将帮助我们找到被多发性硬化症损伤的神经的替代的、健康的连接,或重新平衡由于自闭症谱系障碍引起的神经活动,或原始神经元以特定的模式一起激活,并恢复因阿尔茨海默病而失去的长期记忆。

具体来说,我们已经发现,当大脑中的绝缘或有髓神经纤维活跃并沿其长度发送信号,即动作电位时,特殊的区域沿其长度产生一个非常小的电场。这种情况发生的蜂窝区域,称为Ranvier节点,表现出可以传输和接收电信号的小天线。

神经细胞图,DHP1080 / Wikimedia Commons,CC By-SA

神经细胞图,DHP1080 / Wikimedia Commons,CC By-SA

任何两个高度专业化的结构的中断 - 髓鞘或Ranvier的节点 - 不仅仅是导致神经功能功能障碍,但周围的电场也发生了变化。

听神经

技术上的挑战包括精确瞄准大脑的特定部位进行监听。该设备必须从大脑中几厘米深、直径大约相当于人类头发的区域接收信号。

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监听
在特定的神经通信
大脑内的位置。信贷:萨尔瓦多莫尔加

一种方法是在头骨上放置少量柔性天线贴片,以创建我们所谓的“脑镜头”。比较几个补丁的读数让我们以电子方式瞄准聆听的神经。我们正在设计和试验超材料——在分子水平上设计的材料——尤其擅长于充当高精度天线可以通过调谐来接收来自特定位置的信号。

没有付出,却有潜在的巨大收获

通过在神经之间倾听无线通信,我们可以识别电场指示存在问题的大脑的区域。神经活动的详细特征 - 或缺乏活动 - 可以提供关于大脑中发生的具体问题的线索。这些发现可以帮助诊断潜在的医疗条件,而不是当前方法。

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.

为了监测她的疾病的进展,Bianca有脊髓抽头,看看她的脊髓液是否具有与MS相关的高水平特定抗体。她还有MRI扫描揭示了米尔林损坏的大脑的区域,并将面临额外的测试,以确定快速信息如何流过她的神经系统。

使用脑透镜设备可以让医生监测比安卡的大脑,而不会有疼痛的脊椎抽液,也不会有不舒服且耗时的核磁共振成像(mri)和CT扫描。也许有一天Bianca可以监测自己的大脑,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能够导致患者也更容易的新疗法。目前,Bianca正在服用几种携带重大健康风险的药物,并且通常让她感到恶心和疲劳。她是许多人之一,想要尝试不同的治疗选择。

这项工作计划超越识别她大脑中电场表明不健康状况的区域。受到计算机网络管理的启发先进的数字网络我们正在开发一种方法,通过这种方法,我们的头皮贴片系统可以将信号传送到受损或中断的区域将消息发送到大脑中

每个受损的神经纤维一般是填充在一起的成千上万的纤维,其中邻近神经纤维通常是健康的。我们的装置可以帮助鉴定肌蛋白损伤的遗址,并在损坏点之前追随那些神经纤维,以拿起未受干扰的信号。然后我们将使用脑镜头将互补电场传送到大脑中,向肌素损伤周围的区域发送那些健康的信号,鼓励邻近神经纤维携带损坏的纤维不能。

到目前为止,我们已经能够在临床研究实验室提供脑神经参数提供的超级计算环境中模拟这种方法。在未来几个月内,我们将建立和测试脑镜头原型。倾听大脑并与其进行沟通为没有手术的没有手术,为医学诊断和治疗提供了令人迷人的新可能性。谈话

Salvatore Domenic Morgera是南佛罗里达大学的电气工程和生物工程教授。这件作品首先出现在谈话

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