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I cyborg non sono più fantascienza. Il campo delle interfacce cervello-macchina (BMI) - che utilizzano elettrodi, spesso impiantati nel cervello, per tradurre le informazioni neuronali in comandi in grado di controllare sistemi esterni come un computer o un braccio robotico - è in realtà da un po 'di tempo. La società dell'imprenditore Elon Musk, Neuralink, punta a testare i loro sistemi BMI su un paziente umano entro la fine di 2020.

A lungo termine, i dispositivi BMI possono aiutare a monitorare e trattare i sintomi di disturbi neurologici e controllare gli arti artificiali. Ma potrebbero anche fornire un progetto per progettare l'intelligenza artificiale e persino consentire la comunicazione diretta da cervello a cervello. Tuttavia, per il momento, la sfida principale è sviluppare BMI che evitino di danneggiare il tessuto cerebrale e le cellule durante l'impianto e l'operazione.

I BMI sono in circolazione da oltre un decennio, aiutando le persone che hanno perso l'abilità per controllare i loro arti, per esempio. Tuttavia, gli impianti convenzionali - spesso realizzati in silicio - sono ordini di grandezza più rigidi del tessuto cerebrale reale, il che porta a registrazioni instabili e danni al tessuto cerebrale circostante.

Possono anche portare a un risposta immunitaria in cui il cervello rifiuta l'impianto. Questo perché il nostro cervello umano è come una fortezza protetta e il sistema neuroimmune - come i soldati in questa fortezza chiusa - proteggerà i neuroni (cellule cerebrali) da intrusi, come agenti patogeni o BMI.

Dispositivi flessibili

Per evitare danni e risposte immunitarie, i ricercatori si stanno concentrando sempre più sullo sviluppo del cosiddetto "BMI flessibile". Questi sono molto più morbidi delle protesi al silicio e simili al tessuto cerebrale reale.

Una cialda di decine di migliaia di elettrodi flessibili, ognuno molto più piccolo di un capello. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Ad esempio, Neuralink ha realizzato il suo primo progetto "fili" flessibili e inseritore - piccole sonde filiformi, molto più flessibili rispetto ai precedenti impianti - per collegare un cervello umano direttamente a un computer. Questi sono stati progettati per ridurre al minimo la possibilità che la risposta immunitaria del cervello rifiuti gli elettrodi dopo l'inserimento durante un intervento chirurgico al cervello.

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Nel frattempo, i ricercatori di Gruppo Lieber alla Harvard University ha recentemente progettato una sonda mini mesh che assomiglia così tanto ai neuroni reali che il cervello non è in grado di identificare gli impostori. Questi elettronica di ispirazione bio sono costituiti da elettrodi di platino e fili d'oro ultrasottili incapsulati da un polimero con dimensioni e flessibilità simili ai corpi delle cellule neuronali e alle fibre nervose neurali.

La ricerca sui roditori ha dimostrato che tale sonde simili a neuroni non suscitare una risposta immunitaria quando inserito nel cervello. Sono in grado di monitorare sia la funzione che la migrazione dei neuroni.

Muoversi nelle cellule

La maggior parte dei BMI utilizzati oggi raccolgono segnali cerebrali elettrici fuoriusciti dai neuroni. Se pensiamo al segnale neurale come a un suono generato all'interno di una stanza, l'attuale modo di registrare è quindi quello di ascoltare il suono all'esterno della stanza. Sfortunatamente, l'intensità del segnale è notevolmente ridotta dall'effetto di filtraggio del muro - le membrane dei neuroni.

Per ottenere letture funzionali più accurate al fine di creare un maggiore controllo, ad esempio, degli arti artificiali, i dispositivi di registrazione elettronici devono avere accesso diretto all'interno dei neuroni. Il metodo convenzionale più utilizzato per questa registrazione intracellulare è l '"elettrodo a pinza": un tubo di vetro cavo riempito con una soluzione elettrolitica e un elettrodo di registrazione messo in contatto con la membrana di una cellula isolata. Ma una punta larga micrometri provoca danni irreversibili alle cellule. Inoltre, può registrare solo poche celle alla volta.

Per affrontare questi problemi, abbiamo recentemente sviluppato a array di transistor nanofilo 3D a forma di forcina e lo usava per leggere attività elettriche intracellulari da più neuroni. È importante sottolineare che siamo stati in grado di farlo senza alcun danno cellulare identificabile. I nostri nanofili sono estremamente sottili e flessibili e si piegano facilmente nella forma a forcina: i transistor sono solo nanometri 15x15x50. Se un neurone avesse le dimensioni di una stanza, questi transistor avrebbero le dimensioni di una serratura.

Rivestite con una sostanza che imita la sensazione di una membrana cellulare, queste sonde ultraridotte e flessibili possono attraversare le membrane cellulari con il minimo sforzo. E possono registrare chiacchiere intracellulari con lo stesso livello di precisione del loro più grande concorrente: elettrodi a pinza.

Chiaramente questi progressi sono passi importanti verso IMC accurati e sicuri che saranno necessari se vogliamo mai realizzare compiti complessi come la comunicazione cervello-cervello.

Può sembrare un po 'spaventoso ma, in definitiva, se i nostri professionisti medici devono continuare a capire meglio i nostri corpi e aiutarci a curare le malattie e vivere più a lungo, è importante che continuiamo a spingere i confini della scienza moderna per dare loro il meglio possibile strumenti per svolgere il proprio lavoro. Perché ciò sia possibile, è inevitabile un'intersezione minimamente invasiva tra uomo e macchina.

Circa l'autore

Yunlong Zhao, docente di stoccaggio dell'energia e bioelettronica, Università di Surrey

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.