Timp estimat de lectură: 10 minute
Stimularea electrică a creierului a fost utilizată pentru prima dată de fiziologii germani Edward Hitzig și Gustav Fritsch în 1870 pentru a determina mișcarea membrelor unui câine. Mai târziu, în 1874, dr. Robert Barthlow a stimulat electric creierul unei paciente cu țesut cortical motor expus, ca urmare a unui ulcer canceros, ceea ce a determinat mișcarea sistematică a membrelor acesteia.
Aceste demonstrații au arătat că anumite zone ale creierului îndeplinesc anumite funcții, iar aceste funcții pot fi reproduse prin stimularea creierului. Acest concept revoluționar din neuroștiință, denumit „localizare cerebrală”, a fost esențial pentru conceperea și proiectarea implanturilor cerebrale, deoarece ne așteptăm, de exemplu, ca zonele motorii să prezinte o activare constantă, însoțită de mișcări motorii consecvente — oferind astfel un semnal de control fiabil din creier, care poate fi utilizat pentru a acționa o mașină.
Prima demonstrație a faptului că un implant cerebral poate fi controlat fără fir și poate influența comportamentul a fost realizată de renumitul dr. José Delgado, MD, PhD, în 1964. Dr. Delgado a implantat electrozi în nucleul caudat al unui taur. El a demonstrat că aplicarea stimulării asupra nucleului caudat, în timp ce taurul se năpustea, a determinat animalul să se oprească din alergare. De aici au luat naștere aplicațiile moderne ale Deep Brain Stimulation (DBS) pentru tratarea tremorului esențial și a bolii Parkinson. Dr. Alim Louis Benabid, MD, PhD, neurochirurg în Franța, a introdus această metodă în practica clinică în anii 1980, introducând conceptul de electrozi și de baterie internă pentru generatorul de impulsuri, utilizat astăzi în sistemele DBS. De remarcat că metoda chirurgicală și dispozitivele pentru stimularea cerebrală profundă nu s-au modificat semnificativ de atunci. Bateria utilizată pentru alimentarea acestor dispozitive se bazează pe stimulatoarele cardiace.
În primul rând, ce este un „implant cerebral”?
Din punct de vedere tehnic, este orice lucru implantat în creier, care ar putea include materiale biologice și/sau non-biologice. Implanturile cerebrale electronice sunt, în general, dispozitive implantate parțial sau complet în corp, care interacționează cu o parte a sistemului nervos central biologic. Primul dintre aceste dispozitive a fost sistemul de stimulare cerebrală profundă (DBS) utilizat pentru tratarea tremorului esențial refractar la tratament. Acest sistem constă din macroelectrozi care transmit curent prin contacte metalice cilindrice montate la vârful unui fir izolat, iar firul respectiv se conectează la o baterie care generează curent. Electrozii sunt plasați chirurgical în creier în anumite zone țintă, în funcție de boala tratată. În cazul tremorului esențial, zona țintă este, în general, nucleul intermediar ventral al talamusului. În cazul bolii Parkinson, zona țintă este de obicei nucleul subtalamic sau globus pallidus.
Când se aplică stimularea prin electrozi, prin intermediul unei baterii implantate, electrozii generează un câmp electric, denumit „volum de activare tisulară”, care poate duce la modificări potențiale ale țesutului cerebral. Sistemele DBS sunt utilizate și pentru tratarea distoniei, a epilepsiei și a tulburărilor psihiatrice, cum ar fi tulburarea obsesiv-compulsivă și sindromul Tourette. De asemenea, are aplicații experimentale, cum ar fi depresia, tulburarea de stres post-traumatic, durerea, boala Alzheimer, coma și anorexia nervoasă. Toate aceste tulburări au un lucru în comun: sunt tulburări de rețea, astfel încât, în general, boala implică două sau mai multe zone ale creierului, iar modul în care aceste zone sunt conectate este anormal în starea de boală. Prin țintirea anumitor „noduri” ale rețelei, DBS poate modula activitatea unui nod sau a unei conexiuni ale rețelei, iar acesta poate fi un mecanism care permite stimulării să îmbunătățească simptomele.
În prezent, implanturile cerebrale sunt utilizate în mod curent pentru tratarea tulburărilor de mișcare și a altor tulburări de rețea, cum ar fi tulburarea obsesiv-compulsivă. Sistemele de stimulare cerebrală intracraniană în buclă închisă pot detecta acum biomarkeri neuronali ai bolii în timp real și pot stimula terapeutic creierul pe baza acestor semnale. Dispozitivele de cercetare pot măsura date neuronale la nivelul neuronilor individuali și pot transforma aceste date, prin algoritmi de învățare automată, în mișcări ale cursorului și clicuri de tastatură, astfel încât un pacient tetraplegic să poată controla un braț robotic. Găsirea semnalelor cerebrale importante de interes, care codifică intențiile sau nevoile unui pacient, rămâne o provocare. Speranța este că inteligența artificială (IA) va continua să promoveze rolul neurotehnologiei în sănătatea umană.
Care este mecanismul de acțiune?
La nivel celular, mecanismul prin care funcționează stimularea cerebrală nu este încă complet cunoscut. O teorie este că stimularea de înaltă frecvență acționează prin injectarea de zgomot într-un circuit care prezintă activitate anormală, așa-numitul „blocaj” al semnalului. O altă teorie este că stimularea creează o „leziune virtuală” care oprește reversibil activitatea cerebrală. Există și alte teorii, susținute sau infirmate de date, care demonstrează că, la nivel celular, mecanismul prin care funcționează stimularea cerebrală este departe de a fi simplu. Când se însumează activitatea a mii de neuroni, rezultatul este un potențial de câmp local – LFP. Oscilațiile bazate pe LFP în diferite benzi de frecvență, așa-numitele „unde cerebrale”, au ajuns în centrul atenției odată cu descoperirea unor relații sistematice între amplitudinile acestor unde și simptomele clinice sau funcțiile cognitive. De exemplu, s-a constatat că amplitudinea puterii benzii beta (12–25 Hz) în nucleul subtalamic al pacienților cu Parkinson este corelată cu severitatea simptomelor. Mai mult, gradul în care DBS suprimă puterea beta duce la un control mai bun al simptomelor. Astfel, puterea beta este considerată patologică în acest caz și un biomarker neural pe care IA îl poate aborda.
Între timp, oamenii de știință inventează neuroni artificiali care „comunică” cu celulele cerebrale reale, deschizând calea către implanturi cerebrale mai performante
Inginerii au găsit o modalitate de a regla cu precizie neuroni artificiali minusculi, astfel încât să se activeze ca celulele cerebrale reale.
Inginerii au imprimat neuroni artificiali minusculi care pot „comunica” cu celulele cerebrale ale șoarecilor, iar această descoperire ar putea deschide calea către inovații în domeniul informaticii și al medicinei.
O lucrare publicată pe 15 aprilie în revista Nature Nanotechnology vine să completeze un domeniu în plină expansiune care vizează construirea de calculatoare care să imite funcționarea internă a creierului.
Speranța este că neuronii artificiali mai performanți ar putea duce la apariția ”computerelor neuromorfice”, un nou tip de calcul care ar putea îmbunătăți substanțial eficiența energetică a inteligenței artificiale (IA).
„Încercăm să imităm creierul cât mai fidel posibil”, a declarat coautorul studiului, Mark Hersam, profesor de știința și ingineria materialelor la Universitatea Northwestern. „Ceea ce ne motivează este să găsim o alternativă la calculul digital convențional pentru a gestiona cantități mari de date într-un mod mai eficient din punct de vedere energetic”.
Această cercetare ar putea, de asemenea, să deschidă calea către noi interfețe creier-computer, care permit controlul dispozitivelor electronice prin activitatea cerebrală. Interfețele creier-computer pot fi utilizate, de exemplu, pentru a controla proteze sau dispozitive de comunicare asistată.
Deoarece computerele neuromorfice sunt proiectate să imite creierul, acestea ar trebui să fie potrivite pentru a interacționa cu țesutul cerebral. În plus, unii oameni de știință au sugerat că neuronii artificiali ar putea înlocui celulele nervoase deteriorate sau ar putea restabili funcțiile cerebrale pierdute în cazul unor boli degenerative, cum ar fi Alzheimer.
Pentru a reproduce țesutul cerebral, nu se pot folosi cipurile tradiționale din siliciu, care sunt rigide și construite din tranzistori multipli, aranjați în structuri bidimensionale. Acestea au conexiuni fixe care nu pot evolua.
Acest lucru este foarte departe de infrastructura delicată a creierului. Celulele creierului sunt flexibile din punct de vedere fizic, variază în funcție de locația lor și comunică într-o matrice 3D care se schimbă în timp. Conexiunile dintre neuroni pot deveni mai puternice dacă sunt utilizate constant sau pot dispărea dacă sunt subutilizate. Toate aceste proprietăți sunt necesare pentru a crea procesoare complexe care dau sens, în mod constant, lumii complexe din jurul nostru.
Din cauza acestor discrepanțe dintre creier și mașinărie, majoritatea interfețelor creier-computer nu reușesc să se integreze perfect cu creierul; în schimb, se bazează pe impulsuri relativ rudimentare pentru a comunica cu neuronii. Crearea de neuroni artificiali eficienți înseamnă găsirea de materiale care să se comporte ca neuronii, în sensul că imită tiparele de activitate neuronală și ajustează aceste semnale după cum este necesar.
Neuronii artificiali proiectați anterior acestui studiu tind să utilizeze fie materiale moi, organice, precum geluri sau țesuturi care pot transmite electricitate și semnale chimice, fie oxizi metalici duri. Fiecare abordare are dezavantaje: în timp ce modelele de impulsuri ale materialelor moi tind să fie prea lente, cele ale materialelor dure tind să fie prea rapide, a explicat Hersam.
Pentru a reproduce mai bine neuronii, Hersam și echipa sa au folosit cerneluri imprimabile amestecate cu fulgi minusculi de disulfură de molibden, un compus anorganic care acționează ca un semiconductor, și cu grafen, un conductor electric. Cernelurile sunt imprimate pe un substrat flexibil din polimer.
În trecut, astfel de substraturi erau considerate un obstacol, deoarece polimerii interferează cu curentul electric. Dar, așa cum au descoperit Hersam și colegii săi, acest lucru poate fi un avantaj pentru neuronii artificiali, deoarece echipa a constatat că polimerii pot fi manipulați pentru a controla modul în care curentul electric curge prin celula cerebrală creată în laborator.
„Inovația cheie a fost această descompunere parțială a polimerului”, a spus Hersam.
Prin adaptarea atentă a modului în care polimerul se încălzește și se descompune, inginerii pot crea filamente minuscule de energie. În loc să crească constant, curentul care trece prin neuron crește și apoi scade, permițând o eliberare bruscă de energie asemănătoare cu un impuls neuronal. Această acțiune se numește „rezistență diferențială negativă de revenire”.
Sinapsele sunt punctele în care diferiți neuroni comunică prin schimbul de semnale chimice care cresc sau scad probabilitatea ca următorul neuron să se activeze.
Și prin reglarea parametrilor dispozitivului, echipa a reușit să genereze modele de semnalizare mai complexe, inclusiv o serie de impulsuri distanțate în timp sau rafale bruște de impulsuri. „Putem obține toate tipurile de răspunsuri de impulsuri care imită biologia”, a spus Hersam.
Pentru a demonstra acest lucru, oamenii de știință au plasat neuronii lor artificiali lângă secțiuni de creier de șoarece într-o placă de laborator. Ei au descoperit că neuronii șoarecelui se activau în același ritm cu neuronii artificiali, sugerând că țesutul putea decoda semnalul artificial ca și cum ar fi provenit dintr-un țesut real.
Timothée Levi, profesor de bioelectronică care lucrează la neuronii artificiali la Universitatea din Bordeaux, Franța, și nu a fost implicat în acest studiu, a lăudat noul tip de neuron artificial, menționând că acesta se poate „adapta la frecvența normală a neuronilor”.
Acesta a spus că această lucrare se adaugă unei serii de studii recente care arată că neuronii artificiali pot comunica cu neuronii biologici. Aceste evoluții s-au desfășurat în paralel cu o serie de progrese care îmbunătățesc modul în care sunt construiți neuronii artificiali, modul în care se conectează între ei și modul în care sunt programați.
El a subliniat, totuși, că neuronii artificiali sunt încă departe de a comunica pe deplin cu neuronii biologici într-un mod semnificativ. „Îi putem controla pentru o perioadă scurtă de timp, dar nu încă pentru o perioadă lungă”, așa că nu sunt încă potriviți pentru a fi adăugați permanent la creierul uman, de exemplu.
Mai sunt încă multe de făcut pentru a înțelege modul în care funcționează creierul, astfel încât acesta să poată fi reprodus fidel de un computer, au remarcat Levi și Hersam. Mai mult, neuronii artificiali nu sunt suficienți — trebuie conectați între ei prin sinapse artificiale.
Concluzia acestui studiu este clară: „Problema principală este că avem o serie de dispozitive care imită diferite elemente ale creierului, dar trebuie să le integrăm împreună în circuite care să atingă funcționalitatea completă”, a spus Hersam.
Mirela Mustață, redactor executiv
Surse de documentare:
