Rozpoczyna się praca nad stymulatorem mózgu w celu poprawienia pamięci

Dla niektórych z około 10 milionów ludzi na całym świecie z urazowym uszkodzeniem mózgu (TBI), tworzenie i utrzymywanie nowych wspomnień może być jedną z najtrudniejszych rzeczy, jakie zrobią w ciągu dnia. Teraz wyobraź sobie urządzenie wszczepione do mózgu, które może pomóc im kodować wspomnienia za pomocą małych wstrząsów elektrycznych.

Zdjęcie rentgenowskie pokazuje elektrody rejestrujące EEG pod czaszką pacjenta z padaczką.

Pierwsze kroki w kierunku takiej neuroprotezy pamięci są podejmowane na Uniwersytecie Pensylwanii, gdzie naukowcy rozpoczęli testy na pacjentach po operacjach mózgu, aby spróbować zlokalizować i wpłynąć na procesy kontrolujące tworzenie się pamięci.

Kiedy ludzie doznają urazów mózgu, dzieje się kilka rzeczy. Neurony mogą zostać uszkodzone w wyniku początkowego uderzenia lub późniejszego siniaka lub obrzęku mózgu. Aksony łączące regiony mózgu mogą zostać poważnie uszkodzone podczas uderzenia, w niektórych przypadkach dosłownie oddzielając się od neuronów.

Mózg to złożona sieć neuronów, które muszą się ze sobą komunikować, mówi Matthew Kirschen, neurolog dziecięcy ze Szpitala Dziecięcego w Filadelfii, który nie jest zaangażowany w badania Penn. Wszystko, czego potrzebujesz, to niewielkie zakłócenie procesu aksonalnego i osłabienie pamięci.

Zespół z Pensylwanii jest jednym z kilku w Stanach Zjednoczonych, które zostały sfinansowane w zeszłym roku przez DARPA, agencję badawczą Pentagonu, w celu zaprojektowania i zbudowania stymulatorów, które mogłyby wpływać na funkcje poznawcze poprzez ciągłe rejestrowanie funkcji mózgu i operowanie określonymi obszarami mózgu małymi dawkami energii elektrycznej (patrz Fundusze wojskowe interfejsów mózg-komputer do kontrolowania uczuć).

Zespół Penn, kierowany przez neuronaukowca poznawczego Michaela Kahanę, rozpoczął już analizę nagrań mózgowych pacjentów z ciężką padaczką. W ramach leczenia pacjenci ci otrzymują pod czaszką małą siatkę elektrod, którą noszą przez dwa do siedmiu tygodni. Elektrody zbierają zapisy EEG, które są wykorzystywane do obliczania, skąd w ich mózgach pochodzą napady padaczkowe, w ramach przygotowań do operacji usunięcia nieprawidłowo działającej tkanki.

Podczas tego leczenia niektórzy pacjenci zgłaszają się również na ochotnika, aby Kahana przestudiowała ich, gdy grają w gry pamięciowe na komputerze. Elektrody EEG rejestrują jednocześnie średnią aktywność elektryczną dziesiątek tysięcy neuronów; Kahana mówi, że niektóre z mierzonych w ten sposób fal mózgowych są skorelowane z funkcją pamięci.

Związek między oscylacjami EEG a wspomnieniami nie jest jasny, ale naukowcy z Penn podejrzewają, że pewne częstotliwości mogą stanowić wskaźnik tego, jak dobrze dana osoba będzie pamiętać rzeczy. Należą do nich tak zwane oscylacje theta – rodzaj aktywności neuronalnej w hipokampie, jednym z obszarów mózgu, który jest aktywny w tworzeniu nowych wspomnień. Uważam, że to one są najważniejsze dla tworzenia pamięci i często są obecne w hipokampie, mówi Josh Jacobs, profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Columbia, który pracuje nad projektem.

W 2013 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis spowodowali urazy mózgu u 56 szczurów, poważnie zmniejszając ich drgania theta. Następnie wykazali, że elektryczna stymulacja jądra przyśrodkowego przegrody, części regionu hipokampa w mózgu, pomogła szczurom szybciej uciec z labiryntu.

Jeśli zespół z Penn będzie w stanie zidentyfikować markery powstawania pamięci, spróbuje na nie wpłynąć poprzez stymulację mózgu małymi dawkami energii elektrycznej. Celem jest sprawdzenie, czy możliwe jest nakłonienie obwodów mózgowych do dowolnego stanu reprezentującego najlepszą możliwą funkcję pamięci konkretnego pacjenta.

Kahana, która jest dyrektorem uniwersyteckiego laboratorium pamięci obliczeniowej, mówi, że jest za wcześnie, aby powiedzieć, czy ten pomysł zadziała. „Chcemy, aby mózg wykazywał pewien wzorzec aktywności elektrycznej”, mówi. To duży krok, [powiedzmy], że możemy jakoś wprowadzić go w ten stan, lekko go naciskając.

Elektryczna stymulacja mózgu jest już szeroko stosowana w celu powstrzymania fizycznych wstrząsów związanych z chorobą Parkinsona. Chociaż nie jest jasne, dlaczego ta technologia działa, niektórzy uważają, że działa w celu tłumienia nadmiernie pobudzonych neuronów. Około 125 000 osób otrzymało głębokie stymulatory mózgu; prawie wszystkie urządzenia są produkowane przez firmę Medtronic, producenta urządzeń medycznych z Minneapolis.

Urządzenie firmy Medtronic wykorzystuje przewód do stymulacji mózgu stałymi impulsami energii elektrycznej. Urządzenie, które naukowcy z Penn mają nadzieję zbudować z pomocą firmy Medtronic, będzie inne: Jacobs twierdzi, że będzie wykorzystywać dziesiątki elektrod wewnątrz mózgu do rejestrowania i stymulacji. Układ może doprowadzać prąd do przejścia między elektrodami, co może zmieniać aktywność neuronów w obszarach między nimi. Teoretycznie można by nagrywać i szybko przeskakiwać, aby ponownie dopasować obwody kodujące pamięć, mówi Jacobs.

Według DARPA, która odczuwa pilną potrzebę skutecznego leczenia, od 2000 r. zdiagnozowano TBI u ponad 270 000 członków armii amerykańskiej (patrz Brain Trauma w Iraku), mimo że większość obrażeń nie występuje w strefach wojennych. Zespół z Penn twierdzi, że zamierza spędzić dwa lata na badaniu sygnałów pamięci, a kolejne dwa lata na opracowywaniu urządzenia. Testy kliniczne na ludziach, mówi Kahana, mogą nastąpić, jeśli badania zakończą się sukcesem.

ukryć