Νευροτεχνολογία

Η υποκατάσταση του ανθρώπινου εγκεφάλου από έναν ισχυρό υπολογιστή έχει αποτελέσει συνηθισμένο θέμα επιστημονικής φαντασίας. Πράγματι όμως, οι ερευνητές έχουν κάνει αρκετά βήματα προς τη συγχώνευση εγκεφάλων και μηχανών, και την επερχόμενη άνοιξη μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας (USC) ενδέχεται να αντικαταστήσει κατεστραμμένο εγκεφαλικό ιστό με ένα νευρωνικό πρόσθεμα (εμφύτευμα) σε αρουραίους.

Κατά τα προηγούμενα χρόνια, οι ερευνητές έχουν δείξει πως είναι ικανοί να μεταφράζουν τις σκέψεις ενός άλλου πλάσματος σε «δράση». Το 2000, ο νευρολόγος Mi-guel Nicolelis, του Πανεπιστημίου Duke (Βόρεια Καρολίνα) συνέδεσε έναν πίθηκο με ηλεκτρόδια, έτσι ώστε οι σκέψεις του μπορούσαν να κατευθύνουν ένα ρομποτικό βραχίονα. Προσαρμοστικές διατάξεις μεταξύ εγκεφάλου και μηχανής που αναπτύχθηκαν από τον Niels Birbaumer, νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο του Τίμπιγκεν στη Γερμανία, έχουν ήδη βοηθήσει ορισμένους ασθενείς με παράλυση να μετακινούν μέσω των εγκεφαλικών κυμάτων τους τον κέρσορα ενός υπολογιστή προκειμένου να διαλέγουν τα γράμματα για τη σύνταξη ενός μηνύματος.

Ο Theodore W. Berger και οι συνεργάτες του στο USC έχουν αναπτύξει την πρώτη προσαρμοστική διάταξη εγκεφάλου-μηχανής που επικοινωνεί παλίνδρομα με τον εγκέφαλο. Τον προηγούμενο Ιανουάριο, χρησιμοποίησαν ένα τσιπ πυριτίου για να μιμηθούν βιολογικούς νευρώνες σε τομές ιστών από ιππόκαμπο αρουραίου, το κομβικό δηλαδή όργανο για την κατηγοριοποίηση και αποθήκευση των μνημών. Το τσιπ αντικατέστησε μια χειρουργικά αφαιρεθείσα τομή του ιπποκάμπου και αποκατέστησε τη λειτουργία επεξεργαζόμενο τα εισερχόμενα νευρικά σήματα και αποστέλλοντάς τα προς την κατάλληλη έξοδο με ακρίβεια 90%.

Οι βιοϊατρικοί μηχανικοί βρίσκονταν στα πρόθυρα της δοκιμής ενός τσιπ σε τομές ιπποκάμπου εδώ και μερικά χρόνια, αλλά διάφορα εμπόδια έχουν καθυστερήσει τη δουλειά τους. Η υπάρχουσα τεχνολογία συστοιχίας ηλεκτροδίων δεν θα λειτουργούσε καλά σε τομές ιστών, γεγονός που πίεσε τους ερευνητές να κατασκευάσουν τη δική τους. Επίσης δύσκολο ήταν να κοπούν οι τομές του ιπποκάμπου με την κατάλληλη ακρίβεια ώστε να διατηρηθεί σώα η νευρική οδός.

Εξαιτίας του ότι η κατασκευή τού τσιπ εμβαδού 1 τετραγωνικού χιλιοστομέτρου στοιχίζει δεκάδες χιλιάδες δολάρια και απαιτεί αρκετούς μήνες, το επερχόμενο πείραμα θα βασιστεί ουσιαστικά σε ένα μοντέλο αυτού του τσιπ ―συγκεκριμένα σε μια μεγαλύτερη επαναπρογραμματιζόμενη συσκευή συνδεδεμένη με έναν υπολογιστή, η οποία ονομάζεται «λογικός πίνακας προγραμματιζόμενος από το χρήστη» (FPGA). Η FPGΑ θα επιτρέψει στους ερευνητές να ελέγξουν και να τροποποιήσουν με ευκολία το νέο μαθηματικό τους μοντέλο νευρωνικής επικοινωνίας στους ζωντανούς αρουραίους προτού το κλείσουν μέσα σε ένα τσιπ. Ο Sam Deadwyler, καθηγητής φυσιολογίας και φαρμακολογίας στο Πανεπιστήμιο Wake Forest (Βόρεια Καρολίνα) και συνεργάτης της μελέτης, έχει δείξει ότι διεγείροντας τον ιππόκαμπο ζωντανών αρουραίων με ένα συγκεκριμένο μοτίβο δραστηριότητας μπορεί να αυξήσει τις επιδόσεις σε μια δοκιμασία μνήμης, όπως είναι η ανάκληση στη μνήμη τού ποιος μοχλός απελευθερώνει νερό. Σε λίγους μήνες, ο Deadwyler θα χρησιμοποιήσει το μαθηματικό μοντέλο FPGA για να προβλέψει τη δραστηριότητα του ιπποκάμπου. Εάν το μοντέλο αποδειχθεί σωστό, το τεχνητό εμφύτευμα αναμένεται να αποκαθιστά τη μνήμη για τέτοιου είδους δραστηριότητες σε αρουραίους με φαρμακευτικά επαγόμενη αμνησία.

Για πιο περίπλοκα ζωικά μοντέλα, ο Armand Tanguay, φυσικός τού USC, για τη διευκόλυνση της μετάδοσης προτείνει ένα δομοστοιχείο πολλαπλού τσιπ. Δέσμες φωτός θα μεταδίδουν σήματα μεταξύ νευρωνικών μονάδων στα στρώματα του πολλαπλού τσιπ. Αντίθετα με τα καλώδια, οι δέσμες φωτός διαπερνούν η μία την άλλη χωρίς παρεμβολές, γεγονός που επιτρέπει πολύ περισσότερες διασυνδέσεις, με αποτέλεσμα έναν ιστό φωτός μεταξύ των τσιπ πυριτίου που θα μιμείται ένα πυκνό δίκτυο νευρικών κυττάρων.

«Καθώς οι ερευνητές θα περνούν από πειράματα στο εργαστήριο προς πειράματα σε ζωντανούς αρουραίους, θα αντιμετωπίσουν πολλές δυσκολίες», δηλώνει η Grace Peng, διευθύντρια προγράμματος στο Τμήμα Επιστημονικών Ανακαλύψεων και Τεχνολογίας των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας (NIH). Στην πραγματικότητα, η ομάδα δεν είναι εντελώς σίγουρη για το τι να περιμένει από τη στιγμή που θα πειραματιστεί με ζωντανούς οργανισμούς. Η αποφυγή της απόρριψης από το ανοσοποιητικό σύστημα θα μπορούσε να σημαίνει ότι στο τσιπ θα πρέπει να αγκιστρωθούν μόρια κυτταρικής προσκόλλησης (CAM), έτσι ώστε η επιφάνεια του εμφυτεύματος να μοιάζει με ιστό, όπως δηλώνει ο Mark Thompson, χημικός τού USC. Η νευρωνική πλαστικότητα, δηλαδή η ικανότητα του εγκεφάλου να αναδιοργανώνει τις συνδέσεις του, θα θέσει επίσης ένα πρόβλημα, εμποδίζοντας το σχηματισμό σταθερών συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων και του τσιπ. «Σε άλλους τομείς εφαρμογών, όπως ο κινητικός έλεγχος ή η αντίληψη, η πλαστικότητα και προσαρμοστικότητα του εγκεφάλου συνήθως προάγει τη δράση των τεχνητών προσαρμοστικών διατάξεων», σημειώνει αισιόδοξα η Peng.

Μια άλλη πιθανή ανησυχία είναι το αν αυτού του είδους τα εμφυτεύματα θα καταφέρουν να φτάσουν μέχρι να δοκιμαστούν σε άνθρωπο: Μήπως παρακάμπτοντας τους κατεστραμμένους νευρώνες στον ιππόκαμπο παρακάμπτουμε επίσης συνδέσεις με άλλες περιοχές του εγκεφάλου που λειτουργούν ως ηθμός για το τι θυμόμαστε; Με άλλα λόγια, μήπως ο εγκέφαλος καταστεί ανίκανος να εκκαθαρίζει τις αναμνήσεις; Εάν θα συνέβαινε κάτι τέτοιο, τότε το εμφύτευμα θα απέβαινε μια πραγματικά «αξέχαστη συσκευή»!

Επιστημονικά Νέα - Μάρτιος, 2007