(Phys.org)—Le interfacce cervello-macchina (BMI) sono fondamentalmente espedienti. Il motivo per cui non se ne sente parlare così tanto in questi giorni è perché, nella pienezza dei tempi, un vantaggio tangibile significativo per un utente non si è materializzato. Semplicemente dichiarato, né spinosi array di microelettrodi, strazianti rielaborazioni optogenetiche della nostra fisiologia, né tatuarci il cervello con sostanze fluorescenti tossiche ci darà mai ciò di cui abbiamo bisogno. D'altra parte, se riesci a guardare da lontano gli aculei nativi ribollire indisturbati attraverso i tratti di assoni, senza alcuno dei suddetti pericoli, potresti essere su qualcosa.

Mentre qualsiasi serio ricercatore del cervello deve essere pienamente consapevole di queste verità a un certo livello, qualsiasi ammissione collettiva in quanto tale richiederebbe l'eliminazione di diverse basi fondamentali del campo. Per i principianti, questo significa abbandonare l'idea che i picchi siano completamente descritti dagli epifenomeni strettamente elettrici che i ricercatori amplificano sui loro oscilloscopi. In altre parole, rappresentare gli assoni come circuiti equivalenti che dissipano irreversibilmente la loro energia di picco attraverso varie impedenze non è sufficiente. Fortunatamente, una massa critica di ricercatori ha ora sviluppato strumenti per sondare la più ampia fisica intrinseca del picco. L'obiettivo è sviluppare una teoria più generale dell'eccitabilità nelle cellule che possa spiegare tutti i cambiamenti fisici osservati (come dimensione, pressione e temperatura). La loro salsa segreta, ciò che alla fine produrrà dispositivi cerebrali che desideriamo, è il rilevamento ottico senza etichetta di picchi meccanici.

Sebbene ci sia una lunga storia di lavoro in questo campo, diversi articoli recenti suggeriscono che stiamo finalmente iniziando a capire questa fisica. Il primo documento utilizza il metodo collaudato dell'interferometria ottica in fibra per rilevare i cambiamenti su scala nanometrica nella lunghezza del percorso ottico che si verificano quando le cellule si alzano. Il secondo articolo riesce ad estrarre escursioni in scala di 0,2 nm nell'involucro cellulare durante i picchi utilizzando tecniche di sottrazione dell'immagine e denoising. Finalmente, un terzo set riporta gli enormi spostamenti su scala di micron nelle cellule vegetali di Chara spiking, e rivisita l'intrigante domanda su cosa succede quando i picchi che viaggiano in direzioni opposte si scontrano.

Possiamo fare BMI pratici con gli interferometri?

Affinché i BMI pratici diffusi diventino una realtà, probabilmente dovranno essere piccoli. Interferometri classici Michelson, il tipo che ogni studente di fisica ricrea a un certo punto in un corso di laboratorio, non sono stati generalmente associati a compattezza o configurabilità. Sebbene sia adatto a cose come confutare l'etere o intravedere onde gravitazionali usando enormi gambe ottiche, Gli interferometri di Michelson non sono sempre la prima scelta per gli esperimenti biologici. Anziché, l'interferometro di Mach-Zehnder viene spesso utilizzato perché ciascuno dei suoi percorsi luminosi ben separati viene attraversato solo una volta, rendendolo molto più versatile. I modulatori Mach-Zehnder possono ora essere costruiti come circuiti integrati monolitici che hanno un'ampiezza elettro-ottica ad alta larghezza di banda e risposte di fase su un intervallo di frequenza di più GHz.

Nonostante gli apparenti vantaggi del Mach Zehnder, l'autore Digant Dave del primo articolo ha affermato di utilizzare l'interferometro di Michelson per i loro esperimenti perché la topologia del percorso comune offre una sensibilità assiale molto elevata. In particolare, possono misurare spostamenti inferiori a 0,1 nm in una preparazione cellulare in vitro. La dimensione dello spot del fascio della sonda è di ~ 4,5 μm e un SNR elevato si ottiene inserendo i neuroni tra due pezzi di vetro. Gli impulsi ottici registrati variavano da 20 a 300 ms (per lo più sotto i 50 ms), che è un po' più lungo dell'intervallo da 5 a 7 ms per i picchi registrati tramite il patch clamping.

Ho chiesto a Dave come potrebbe teoricamente essere realizzata un'implementazione di scansione del nervo 2-D in vivo della sua configurazione in vitro. Ha detto che le stesse punte della fibra potrebbero essere piccole fino a 1 mm ed essere utilizzate in una delle due modalità:o raster scansiona il raggio della sonda, o acquisire immagini 2D durante la scansione della lunghezza d'onda della sorgente luminosa in ingresso. A un millimetro di diametro ciascuno, Penso che dovrebbe essere possibile infilare molte di queste sonde nel sistema ventricolare del cervello per scansionare i vasti tratti di assoni che rivestono le pareti del 3° e 4° ventricolo. Appena sotto il cervelletto ci sono diversi sfiati naturali che fanno circolare il liquido cerebrospinale per equilibrare la pressione. In particolare, i Foramen di Magendi e Lushka sarebbero ideali allo scopo.

In attesa di un'ulteriore miniaturizzazione, gran parte dell'hardware per l'elaborazione del segnale e forse anche la preparazione del raggio ottico potrebbe dover essere ancora strettamente accostato o legato all'esterno del corpo. Di più immediato interesse rispetto all'hardware, tuttavia, sarebbero gli effetti della mielina sul segnale. Ad oggi, la maggior parte degli studi sono stati condotti utilizzando assoni nudi o cellule vegetali che sono state private della loro parete cellulare. La mielina potrebbe assorbire o attenuare in altro modo gli impulsi meccanici e termici, o molto probabilmente potrebbe avere un effetto di amplificazione su altre variabili come la pressione. Per esempio, quando le cellule Chara sono state "plasmalizzate", come riportato nel terzo articolo, eliminare la parete cellulare e la relativa pressione di turgore da essa fornita, gli spostamenti più piccoli su scala di 100 nm sono stati convertiti in spostamenti su scala di micron.

Ho chiesto a Digant cosa ne pensasse della prospettiva di misurare gli spostamenti senza interferometri come riportato nel secondo articolo citato. Mentre ha notato che la sensibilità di 0,2 nm era molto impressionante per un cannocchiale da campo chiaro standard, osservò che queste misurazioni venivano effettuate lateralmente nell'involucro della cella e richiedevano una media significativa di centinaia di fotogrammi. Gli autori sono stati anche in grado di applicare contemporaneamente un patch clamp alle cellule per confrontare l'ampiezza e la fase del picco registrato elettricamente, però, questo stesso può complicare le misurazioni meccaniche. Per quanto riguarda l'implementazione di questo tipo di registrazione come BMI, Penserei che ci sarebbero molte difficoltà.

Una domanda in sospeso riguardo ai picchi è se hanno componenti non dissipativi significativi. Tra le altre cose, questo apparentemente inciderebbe in modo significativo su quanta energia richiedono e trasportano. Recenti studi hanno tentato di determinare esattamente quanta ATP ha bisogno di diversi tipi di neuroni per il picco, tuttavia sembra che molti dei loro presupposti sottostanti siano dubbi. Digant riferisce che molti degli impulsi ottici hanno componenti dissipativi, come indicato da cicli multipli di oscillazione decrescente dopo la stimolazione. Ha intenzione di iniziare studi utilizzando la stimolazione optogenetica per eliminare qualsiasi artefatto introdotto dal patch clamp.

Un buon modo per capire cosa sta succedendo nelle cellule di picco è osservare cosa succede quando gli impulsi si scontrano. In altre parole, si annientano a causa di canali ionici rilassanti come predice la teoria, o possono passare l'uno attraverso l'altro? Ricerche precedenti hanno scoperto che i picchi si propagano naturalmente in direzioni opposte lungo gli assoni, e inoltre che in alcuni casi possono passare l'uno attraverso l'altro inalterati. Altri lavori hanno anche dimostrato che la velocità, l'ampiezza e la forma del picco normalmente dipendono dalla direzione in cui sta andando. Gli studi più recenti riportati qui per le collisioni nelle cellule Chara hanno scoperto che i picchi registrati elettricamente si annichiliscono per lo più in caso di collisione.

Gli autori suggeriscono che da un punto di vista acustico, l'annichilazione può essere il risultato di proprietà del materiale non lineare dell'intero mezzo eccitabile. Poiché ci sono state alcune discrepanze tra la fase e le direzioni dell'espansione cellulare in diversi studi rispetto all'andamento temporale del picco elettrico, le registrazioni ottiche della collisione sarebbero probabilmente informative. Dobbiamo notare che negli assoni, diversi compartimenti proteici e lipidici possono portare diverse forme di eccitazione. Per esempio, mentre i canali ionici sono tipicamente associati al picco elettrico, fenomeni ondulatori solitonici possono propagarsi nelle membrane nude. Nei primi giorni, i documenti originali di Hodgkin-Huxley suggerivano che gli stessi dipoli di membrana potrebbero essere responsabili dei potenziali d'azione.

Per di più, il citoscheletro di actina può anche propagare l'eccitazione (sebbene impulsi generalmente per tempi più lunghi come nella contrazione muscolare), e anche il citoscheletro della tubulina sembra supportare l'eccitazione e l'oscillazione. Come accennato, probabilmente contribuisce anche la mielina, forse anche attraverso altri processi fisici come la propagazione dei cambiamenti di fase nei componenti lipidici. Una cosa che potremmo tenere a mente per le misurazioni in vivo (in particolare per i nervi in ​​fasci) è che diversi fascicoli possono formare il proprio sandwich ottico che può essere utilizzato per la lunghezza del percorso ottico di riferimento come fatto per il lavoro in vitro di Digand.

Un più trascurato, ma forse la fonte più importante di eccitazione nelle cellule o negli assoni potrebbero essere i mitocondri. Nelle cellule del cuore, Per esempio, la cosiddetta risposta 'mitoflash', coordinati da un massimo di 8000 mitocondri per cellula, mantiene con precisione il "setpoint" dell'ATP su un carico di lavoro che cambia di dieci volte. Questa eccitazione del mitoflash è essa stessa composta da diversi componenti diversi; le cosiddette "scintille redox", calcio, NADPH, protoni, e altre molecole sono state tutte registrate, per non parlare di studi recenti che mostrano che gli interni dei mitocondri che respirano attivamente possono superare i 50 gradi C. Sebbene controverso, anione superossido, talvolta associato al controllo diretto dell'invecchiamento e della durata della vita, si presume anche che sia stato rilevato da diverse sonde mitoflash.

Poiché i mitocondri sono concentrati negli internodi degli assoni, è del tutto possibile che diano un contributo significativo alla conduzione salatoria dei picchi negli assoni mielinizzati. Considerando che il potenziale di membrana nei mitocondri è almeno il doppio di quello della cellula stessa, ed è disponibile in molti pacchetti piccoli e mobili per neurone, questo potrebbe non essere troppo sorprendente. L'eccitabilità dell'intera cellula sarebbe quindi controllata dalla dispersione o aggregazione dei mitocondri in varie formazioni, forse simile a come il colore della pelle è controllato dalla mobilitazione strategica dei melanosomi. Più localmente, mitoflash ha dimostrato di controllare le dimensioni e la morfologia nelle spine dendritiche, portando a speculazioni sfrenate sulla memoria.

Per il BMI molti desiderano un giorno essere pratici, non solo una teoria dei picchi sarà essenziale, ma suggerirei anche la capacità di rilevare, creare, o distruggerli con gli stessi processi fisici che li supportano naturalmente.

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