Οι βιολογικές διαδικασίες δημιουργούν με ευκολία χαρακτηριστικά και δομές σε κλίμακες κάτω από τα 10 νανόμετρα. Για την ακρίβεια, η βιολογία διαθέτει ένα εκπληκτικό κιτ εργαλείων για την ενσωμάτωση πληροφοριών σε μια επιφάνεια. Παρακαταθήκη εκατομμυρίων ετών εξέλιξης. Το ζήτημα, όμως, είναι πως μπορούμε να χειραγωγήσουμε αυτές τις διαδικασίες ώστε να τις «παντρέψουμε» με εφαρμογές όπως η πληροφορική.
Οι διεπαφές εγκεφάλου - υπολογιστών (BCI, Brain-computer interfaces) είναι μια - ακόμη - αναδυόμενη τεχνολογία, η οποία στο μέλλον ίσως βοηθήσει ανθρώπους με εγκεφαλικές βλάβες και τραυματισμούς της σπονδυλικής στήλης να κινηθούν ή να επικοινωνήσουν. Τα συστήματα BCI εξαρτώνται από εμφυτεύσιμους αισθητήρες που καταγράφουν ηλεκτρικά σήματα στον εγκέφαλο και χρησιμοποιούν αυτά τα σήματα για να οδηγήσουν εξωτερικές συσκευές όπως υπολογιστές ή ρομποτικά προσθετικά.
Το υφιστάμενο τεχνολογικό πλαίσιο επιτρέπει, όμως, την υλοποίηση συστημάτων BCI με έναν ή δύο αισθητήρες που ενεργοποιούν - καταγράφουν τη δραστηριότητα έως και μερικών εκατοντάδων νευρώνων. Ποσοστό απογοητευτικό με δεδομένο ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα «μηχανικό» θαύμα αποτελούμενο από 86 δισεκατομμύρια νευρώνες.
Τώρα, μια ομάδα ερευνητών υποστηρίζει πως έκανε το βήμα για τα συστήματα BCI επόμενης γενιάς. Συστήματα που θα χρησιμοποιούν ένα συντονισμένο δίκτυο ανεξάρτητων, ασύρματων νευρωνικών αισθητήρων μικροκλίμακας, ο καθένας περίπου στο μέγεθος ενός κόκκου αλατιού, για την καταγραφή και την τόνωση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Οι αισθητήρες, που ονομάζονται «νευρόκοκκοι», καταγράφουν ανεξάρτητα τους ηλεκτρικούς παλμούς που παράγονται από την πυροδότηση νευρώνων και στέλνουν τα σήματα ασύρματα σε έναν κεντρικό διανομέα, ο οποίος τα συντονίζει και τα επεξεργάζεται.
Σε μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 12 Αυγούστου στο Nature Electronics, η ερευνητική ομάδα περιέγραψε τη χρήση σχεδόν 50 τέτοιων αυτόνομων αισθητήρων για την καταγραφή της νευρωνικής δραστηριότητας σε ένα τρωκτικό.
Τα αποτελέσματα, σύμφωνα με τους ερευνητές, ανοίγουν τον δρόμο για την καταγραφή των εγκεφαλικών σημάτων με πρωτοφανή λεπτομέρεια, οδηγώντας σε νέες γνώσεις για τον τρόπο λειτουργίας του εγκεφάλου και νέες θεραπείες για ασθενείς με εγκεφαλικό ή τραυματισμούς στη σπονδυλική στήλη.
Η ερευνητική ομάδα, η οποία περιλαμβάνει ειδικούς από τα Πανεπιστήμια Brown, Baylor, Σαν Ντιέγκο και την Qualcomm, ξεκίνησε το έργο της ανάπτυξης του συστήματος από περίπου τέσσερα χρόνια. Η πρόκληση ήταν διπλή: Το πρώτο μέρος απαιτούσε τη συρρίκνωση των πολύπλοκων ηλεκτρονικών που εμπλέκονται στην ανίχνευση, ενίσχυση και μετάδοση νευρωνικών σημάτων σε μικροσκοπικά τσιπ πυριτίου. Η ομάδα σχεδίασε και προσομοίωσε πρώτα τους αισθητήρες σε έναν υπολογιστή και μετά πολλές κατασκευαστικές επαναλήψεις, κατόρθωσε να αναπτύξει λειτουργικά τσιπ.
Η δεύτερη πρόκληση ήταν η ανάπτυξη του κόμβου εξωτερικής επικοινωνίας που λαμβάνει σήματα από αυτά τα μικροσκοπικά τσιπ. Η συσκευή είναι ένα λεπτό έμπλαστρο, περίπου στο μέγεθος του αντίχειρα, που προσαρτάται στο τριχωτό της κεφαλής, έξω από το κρανίο. Λειτουργεί σαν ένας μικροσκοπικός πύργος κινητής τηλεφωνίας: χρησιμοποιεί πρωτόκολλο δικτύου για τον συντονισμό των σημάτων από τους «νευρόκοκκους», καθένας από τους οποίους έχει τη δική του IP. Το έμπλαστρο τροφοδοτεί επίσης ασύρματα τους αισθητήρες, που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν χρησιμοποιώντας ελάχιστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Ο στόχος της νέας μελέτης ήταν να αποδείξει ότι το σύστημα μπορούσε να καταγράψει νευρωνικά σήματα από έναν ζωντανό εγκέφαλο. Έτσι, οι ερευνητές τοποθέτησαν 48 αισθητήρες στον εγκεφαλικό φλοιό του ζώου, καταγράφοντας με επιτυχία χαρακτηριστικά νευρωνικά σήματα που σχετίζονται με αυθόρμητη εγκεφαλική δραστηριότητα.
Η ομάδα εξέτασε επίσης την ικανότητα των συσκευών να διεγείρουν τον εγκέφαλο. Η διέγερση γίνεται με μικροσκοπικούς ηλεκτρικούς παλμούς που ενεργοποιούν τη νευρωνική δραστηριότητα. Η διέγερση προέρχεται από τον ίδιο κόμβο που συντονίζει τη νευρωνική καταγραφή και θα μπορούσε μια μέρα να αποκαταστήσει λειτουργίες του εγκεφάλου που έχει χαθεί από ασθένειες ή τραθματισμό.
Το μέγεθος του εγκεφάλου του ζώου περιόρισε την ομάδα σε 48 «νευρόκοκκους», αλλά τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι η τρέχουσα διαμόρφωση του συστήματος θα μπορούσε να υποστηρίξει έως και 770. Τελικά, η ομάδα προβλέπει κλιμάκωση πολλών χιλιάδων αισθητήρων, που θα παρέχει μια άνευ προηγουμένου εικόνα της εγκεφαλικής δραστηριότητας.
