Il grafene può contenere la chiave per collegare il nostro cervello alle macchine

Il tuo cervello è un alveare di attività elettrica - segnali di accensione, flusso di dati. È anche una scatola nera di caos totale. Fino ad ora, i modi migliori per agganciare i tuoi neuroni a dispositivi e computer sono stati in grado di sondare solo ampie zone di neuroni e ottenere un ampio consenso su ciò a cui stanno guidando. Ma un'apparente svolta nella tecnologia del grafene offre la speranza che potremmo essere in grado di attingere segnali neurali individuali in un ambiente biologico esistente, con enormi ramificazioni per le protesi, l'apprendimento e la conservazione della salute mentale.

Un team di ricercatori provenienti da Spagna, Italia e Regno Unito ha dimostrato che il grafene può interfacciarsi con successo con i neuroni e trasmettere loro un segnale elettrico. Questo lavoro si basa su sforzi precedenti in cui il grafene è stato rivestito con peptidi per promuovere l'adesione neuronale e ha dimostrato che tale rivestimento non è necessario. A differenza dei precedenti tentativi e di altre tecnologie, questo lavoro non ha attivato il tessuto cicatriziale, che nel tempo ha reso inutili altri impianti. Inoltre, questa versione che utilizza grafene non trattato ha un elevato rapporto segnale / rumore che lo rende più pratico per le applicazioni biologiche.

I primi obiettivi per questo lavoro sono come trattamento per il Parkinson. Le tecnologie di interfaccia neurale esistenti leggono l'output di un neurone e lo traducono in qualcos'altro. Interagendo direttamente con i neuroni, si spera che questo lavoro possa essere usato per interferire con il segnale. Dal momento che il Parkinson non è in grado di inibire i segnali neurali, una tecnologia in grado di bloccare artificialmente segnali estranei potrebbe risolvere questo problema. Si pensa che questo sia il modo in cui funzionano gli elettrodi impiantabili esistenti: mediante impulsi elettrici che trasmettono in modo non specifico che interferiscono con questi segnali inappropriati. La risoluzione individuale dei neuroni potrebbe fornire un controllo molto maggiore.

Il grafene è un materiale ideale per l'interfaccia biologica: è flessibile, stabile e biocompatibile. Perché è anche in grado di trasportare una carica elettrica, ha suscitato l'interesse di ricerche per l'uso in applicazioni neurali.

Il grafene è forte, ma è difficile? http://t.co/uUfeb1h0oN @ENERGY #MaterialsScience pic.twitter.com/BippvPpK7C

- Berkeley Lab (@BerkeleyLab), 22 febbraio 2016

La tecnologia di interfaccia neurale esistente tende a valutare un intero campo di neuroni utilizzando una serie di elettrodi (come l'esempio recente che è stato usato per controllare le singole dita). Sebbene ciò possa essere utile in alcune impostazioni, può essere complicato setacciare l'output di molti, molti neuroni per trovare il segnale che si desidera. Ma si arriva alla risoluzione dell'interfaccia con i singoli neuroni, e il potenziale è un controllo senza precedenti - con tutti i tipi di potenziale per la protesi neurale.

Hai ancora bisogno di un meccanismo sofisticato per garantire che vengano contattati solo i neuroni appropriati; devi districare quale segnale proviene da dove; e devi tradurre questa cacofonia di segnali.

Anche l'impianto degli elettrodi può essere complicato. Le tecnologie esistenti immergono gli elettrodi nel tessuto cerebrale e quasi certamente danneggiano alcune connessioni lungo il percorso. Poiché questa tecnologia riguarda solo le registrazioni sul campo, il danno di pochi neuroni non è problematico. Se l'obiettivo è di interfacciarsi con i singoli neuroni, questo potrebbe essere un problema significativo.

Inoltre, potrebbe essere necessario "calibrare" il sistema. La tempistica e la forza dei segnali neurali sono di fondamentale importanza. Normalmente, il tuo cervello si calibra da solo. Ad esempio, quando pratichi l'oscillazione di una mazza da baseball, invii un feedback, positivo o negativo, per rinforzare le connessioni e utilizzare la giusta quantità di forza e direzione. Se dovessi aggiustare manualmente queste cose in un sistema che non si autoaggiude, potrebbe rendere le cose più difficili. (Vale la pena notare che il cervello è molto bravo a essere "plastico" e ad adattarsi, però, in modo che possa risolvere il proprio problema semplicemente modulando il proprio output in base alle proprie reazioni.)

Questi tipi di problemi sono tuttavia problemi di progettazione e non sono impossibili da risolvere. Una volta risolte queste sfide, la capacità di interfacciarsi con i singoli neuroni potrebbe essere profonda. Ad esempio, "rilevatori di coincidenze" nel tuo cervello rilevano impulsi neuronali in arrivo da più di un neurone. Se il tempo di input da entrambi è abbastanza vicino, si innesca un impulso nel rilevatore di coincidenza stesso. Questo meccanismo è utilizzato in diversi contesti, uno dei quali è nell'apprendimento.

Poiché questo meccanismo è ottimo per associare diversi eventi neurali, essi possono essere utilizzati per costruire concetti che collegano insieme parti distanti del cervello, e quindi per imparare una nuova idea. Se questo processo può essere controllato manualmente, allora si può immaginare uno stile di apprendimento Matrix, in cui i rilevatori di coincidenze vengono attivati ​​manualmente per associare concetti diversi e per costruire un pensiero senza mai mettere piede in una classe. A breve termine, però, il semplice blocco della segnalazione inappropriata nel Parkinson sarà molto meno difficile. Cerca il grafene per preservare i movimenti fluidi in primo luogo, prima di rendere i ricordi più facili da acquisire in seguito.