Wat als de volgende gadget voor het verzenden van berichten naar je vrienden geen horloge was dat aan je pols was vastgemaakt of een telefoon in je zak - maar een elektronisch apparaat dat in je hersenen was ingebed? Nu heeft een nieuw soort flexibel circuit ons een stap dichter bij deze sciencefiction-toekomst gebracht. Geïmplanteerd via injectie, een raster van draden van slechts een paar millimeter doorsnede kan zichzelf insinueren met levende neuronen en afluisteren op hun gebabbel, en biedt een manier voor elektronica om te communiceren met je hersenactiviteit.
gerelateerde inhoud
- Schokgolven kunnen gevaarlijke bubbels in de hersenen veroorzaken
- Maak nieuwe herinneringen maar blijf oud, met een beetje hulp van elektroden
- Deze slag van genie kan je toelaten om met je hersenen te schrijven
"We proberen het onderscheid tussen elektronische circuits en neurale circuits te vervagen, " zegt Charles Lieber, een nanotechnoloog aan de Harvard University en co-auteur van een onderzoek dat het apparaat deze week beschrijft in Nature Nanotechnology.
Tot nu toe is de technologie alleen getest in de hoofden van levende muizen. Maar Lieber hoopt het uiteindelijk aan mensen over te dragen. Zijn donateurs zijn Fidelity Biosciences, een risicokapitaalbedrijf dat geïnteresseerd is in nieuwe manieren om neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson te behandelen. Het leger heeft ook belangstelling getoond door ondersteuning te bieden via het Cyborgcell-programma van de US Air Force, dat zich richt op kleinschalige elektronica voor de "prestatieverbetering" van cellen.
Neurale elektronica is voor sommige mensen al een realiteit. Degenen die lijden aan ernstige trillingen of oncontroleerbare spierspasmen kunnen verlichting vinden via elektrische schokken, die worden geleverd door lange draden die diep in de hersenen zijn geschroefd. En quadriplegics hebben geleerd om prothetische ledematen te controleren met chips ingebed in de hersenen of elektroden die op het oppervlak van de hersenen worden gelegd.
Maar deze technologieën kunnen alleen in ernstige gevallen worden gebruikt omdat ze invasieve procedures vereisen. "Eerdere apparaten waren afhankelijk van grote incisies en operaties", zegt Dae-Hyeong Kim, nanotechnoloog aan de Seoul National University in Zuid-Korea.
Wat de nieuwe aanpak anders maakt, is de uitzonderlijke buigzaamheid van het circuit. Gemaakt van strengen metaal en plastic die als visnet met elkaar zijn verweven, is het circuit "honderdduizend keer flexibeler dan andere implanteerbare elektronica", zegt Lieber. Het net kan worden opgerold zodat het gemakkelijk door een injectienaald kan gaan. Eenmaal in het lichaam ontvouwt het net zich vanzelf en wordt het ingebed in de hersenen.
Uit autopsies van geïnjecteerde muizen bleek dat de draden zich in de loop van de weken in het verwarde weefsel van neuronen hadden geweven. Strakke verbindingen gevormd als plastic en hersenmaterie samen gebreid met schijnbaar weinig negatieve impact. Deze compatibiliteit is misschien omdat het net is gemodelleerd naar driedimensionale steigers die door biomedische ingenieurs worden gebruikt om weefsels buiten het lichaam te laten groeien.
Een 3D-microscoopafbeelding toont het gaas geïnjecteerd in een gebied van de hersenen dat de laterale ventrikel wordt genoemd. (Lieber Research Group, Harvard University) De activiteiten van de neuronen kunnen worden gevolgd met behulp van microscopische sensoren die in het circuit zijn aangesloten. Spanningsdetectoren namen stromen op die werden opgewekt door het afvuren van individuele hersencellen. Die elektrische signalen werden doorgegeven via een draad die uit het hoofd naar een computer liep.
"Dit zou een ingang kunnen vinden in een herseninterface voor consumenten", zegt Jacob Robinson, die technologieën ontwikkelt die raakvlakken hebben met de hersenen van Rice University. "Je computer aansluiten op je hersenen wordt een stuk smakelijker als je alleen maar iets hoeft te injecteren."
Voor neurowetenschappers die geïnteresseerd zijn in hoe hersencellen communiceren, biedt dit gevoelige hulpmiddel toegang tot delen van het zenuwstelsel die moeilijk te bestuderen zijn met traditionele technologieën. Drie maanden geleden heeft een collega van Lieber bijvoorbeeld een aantal van zijn netten in de ogen van muizen geïnjecteerd, in de buurt van zenuwcellen die visuele informatie van het netvlies verzamelen. Het onderzoeken van die cellen vereist meestal het uitsnijden van een deel van het oog. Signalen verzameld door de geïnjecteerde netten zijn tot nu toe sterk gebleven en de muizen blijven gezond.
Om bruikbaar te zijn voor mensen, moet het team van Lieber echter bewijzen dat de netten een nog langere levensduur hebben. Eerdere neurale elektronica had stabiliteitsproblemen; ze hebben de neiging om na verloop van tijd het signaal te verliezen als cellen in de buurt van de rigide indringers afsterven of weg migreren. Maar het team is optimistisch dat het netwerk van Lieber hersenvriendelijker zal blijken te zijn, omdat cellen die het tot nu toe tegenkomen zich lijken te knuffelen en in zijn gaten groeien.
Luisteren naar hersenactiviteit is misschien nog maar het begin - net als bij dagelijkse circuits kunnen verschillende componenten voor verschillende taken worden toegevoegd. In een ander experiment injecteerde het team van Lieber circuits uitgerust met druksensoren in gaten in een zacht polymeer. Toen het polymeer werd samengedrukt, maten de sensoren veranderingen in druk in de holten. Dat kan handig zijn voor het onderzoeken van drukveranderingen in de schedel, zoals die na een traumatisch hoofdletsel.
Verderop in de lijn kan het net bezaaid zijn met feedback-apparaten die elektrische stimulatie afgeven of pakketten met medicijnen vrijgeven voor medische behandeling. Voeg een paar microscopische RFID-antennes toe en het circuit kan draadloos worden. En scifi-fans moeten kwijlen bij de gedachte om geheugenopslagapparaten te installeren - vergelijkbaar met het RAM-geheugen in computers - om hun eigen herinneringen te verbeteren.
"We moeten lopen voordat we kunnen rennen, maar we denken dat we echt een revolutie kunnen brengen in ons vermogen om te communiceren met de hersenen", zegt Lieber.
