p (Phys.org) —Interfaces do cérebro-máquina (BMIs) são basicamente truques. A razão pela qual você não ouve tanto sobre eles hoje em dia é porque, na plenitude do tempo, benefício tangível significativo para um usuário simplesmente não se materializou. Dito de forma simples, nem matrizes de microeletrodos espinhosos, angustiantes retrabalhos optogenéticos em nossa fisiologia, nem tatuar nossos cérebros com fluorescentes tóxicas VAI nos dar o que precisamos. Por outro lado, se você pode assistir picos nativos borbulharem sem serem molestados através de tratos de axônio de longe, sem qualquer um dos perigos acima mencionados, Você pode estar no caminho certo. p Embora qualquer pesquisador cerebral sério deva estar totalmente ciente dessas verdades em algum nível, qualquer admissão coletiva como tal exigiria que vários fundamentos básicos do campo fossem descartados. Para iniciantes, isso significa abandonar a ideia de que os picos são totalmente descritos pelos epifenômenos estritamente elétricos que os pesquisadores amplificam em seus osciloscópios. Em outras palavras, representar axônios como circuitos equivalentes irreversivelmente dissipando sua energia de pico através de várias impedâncias fica aquém. Felizmente, uma massa crítica de pesquisadores já desenvolveu ferramentas para sondar a física intrínseca mais ampla do pico. O objetivo é desenvolver uma teoria mais geral de excitabilidade nas células que pode explicar todas as mudanças físicas observadas (como dimensão, pressão e temperatura). Seu molho secreto, o que acabará por produzir dispositivos cerebrais que cobiçamos, é a detecção óptica sem etiqueta de picos mecânicos.

p Embora haja uma longa história de trabalho neste campo, vários artigos recentes sugerem que estamos finalmente começando a entender essa física. O primeiro artigo usa o método testado e comprovado de interferometria óptica de fibra para detectar as mudanças na escala nanométrica no comprimento do caminho óptico que ocorrem quando as células aumentam. O segundo artigo consegue extrair excursões de escala de 0,2 nm no envelope celular durante picos usando subtração de imagem e técnicas de denoising. Finalmente, um terceiro conjunto relata os enormes deslocamentos em escala de mícron nas células vegetais de Chara, e revisita a questão intrigante do que acontece quando os picos viajando em direções opostas colidem.

p Podemos fazer IMCs práticos com interferômetros?

p Para que os IMC práticos generalizados se tornem uma realidade, eles provavelmente precisarão ser pequenos. Interferômetros de Michelson clássicos, o tipo que todo estudante de física recria em algum ponto de um curso de laboratório, geralmente não foram associados com compactação ou configurabilidade. Embora seja adequado para coisas como refutar o éter ou vislumbrar ondas gravitacionais usando enormes pernas ópticas, Os interferômetros de Michelson nem sempre são a primeira escolha para experimentos biológicos. Em vez de, o interferômetro Mach-Zehnder é frequentemente usado porque cada um de seus caminhos de luz bem separados é percorrido apenas uma vez, tornando-o muito mais versátil. Os moduladores Mach-Zehnder agora podem ser construídos como circuitos integrados monolíticos que têm amplitude eletro-óptica de alta largura de banda e respostas de fase em uma faixa de frequência de GHz múltipla.

p Apesar das vantagens aparentes do Mach Zehnder, o autor Digant Dave do primeiro artigo disse que eles usam o interferômetro de Michelson para seus experimentos porque a topologia de caminho comum oferece uma sensibilidade axial muito alta. Em particular, eles podem medir deslocamentos de menos de 0,1 nm em uma preparação de células in vitro. O tamanho do ponto do feixe de sonda é de ~ 4,5 μm e o SNR alto é obtido imprensando neurônios entre duas peças de vidro. Os pulsos ópticos gravados variaram de 20 a 300 ms (principalmente abaixo de 50 ms), que é um pouco mais longo do que o intervalo de 5 a 7 ms para os picos que eles registraram por meio de patch clamping.

p Perguntei a Dave como uma implementação de escaneamento de nervo 2-D in vivo de sua configuração in vitro poderia teoricamente ser feita. Ele disse que as próprias pontas de fibra podem ter apenas 1 mm e ser usadas em qualquer um dos dois modos:varredura raster do feixe de sonda, ou adquirir imagens 2-D durante a varredura do comprimento de onda da fonte de luz de entrada. Com um milímetro de diâmetro cada, Eu pensaria que deveria ser possível enfiar várias dessas sondas no sistema ventricular do cérebro para fazer a varredura dos vastos tratos de axônio que revestem as paredes do terceiro e quarto ventrículos. Logo abaixo do cerebelo existem várias aberturas naturais que circulam o LCR para equilibrar a pressão. Em particular, os Forames de Magendi e Lushka seriam idealmente adequados para esse propósito.

p Enquanto se aguarda mais miniaturização, muito do hardware para processamento de sinal e talvez até mesmo preparação de feixe óptico pode ainda ter que permanecer próximo ou amarrado fora do corpo. De preocupação mais imediata do que o hardware, no entanto, seriam os efeitos da mielina no sinal. A data, a maioria dos estudos foi feita usando axônios nus ou células vegetais que foram desnudadas de sua parede celular. A mielina pode absorver ou atenuar os pulsos mecânicos e térmicos, ou muito possivelmente poderia ter um efeito amplificador sobre outras variáveis, como pressão. Por exemplo, quando as células Chara foram "submetidas a plasma", conforme relatado no terceiro artigo, para eliminar a parede celular e a pressão de turgor associada proporcionada por ela, os menores deslocamentos de escala de 100 nm foram convertidos em deslocamentos de escala de mícrons.

p Perguntei a Digant o que ele achava da perspectiva de medir deslocamentos sem interferômetros, conforme relatado no segundo artigo mencionado. Embora ele tenha notado que a sensibilidade de 0,2 nm foi muito impressionante para um osciloscópio de campo claro padrão, ele observou que essas medições eram feitas lateralmente no envelope da célula e exigiam uma média significativa de centenas de quadros. Os autores também foram capazes de remendar simultaneamente as células para comparar a amplitude e a fase do pico registrado eletricamente, Contudo, isso por si só pode complicar as medições mecânicas. Quanto à implementação deste tipo de registro como IMC, Eu acho que haveria muitas dificuldades.

p Uma questão pendente em relação aos picos é se eles têm componentes não dissipativos significativos. Amoing outras coisas, isso aparentemente afetaria significativamente a quantidade de energia que eles requerem e carregam. Estudos recentes tentaram determinar exatamente quanto ATP diferentes tipos de neurônios precisam para spiking, no entanto, parece que muitas de suas suposições subjacentes são duvidosas. Digant relata que muitos dos pulsos ópticos têm componentes dissipativos, conforme indicado por vários ciclos de oscilação decrescente após a estimulação. Ele planeja iniciar estudos usando estimulação optogenética para eliminar qualquer artefato introduzido pelo patch clamp.

p Uma boa maneira de controlar o que está acontecendo nas células de pico é observar o que acontece quando os pulsos colidem. Em outras palavras, eles aniquilam devido ao relaxamento dos canais de íons, como prevê a teoria, ou eles podem passar um pelo outro? Pesquisas anteriores descobriram que os picos são naturalmente propagados em direções opostas pelos axônios, e, além disso, que em alguns casos eles podem passar um pelo outro sem serem afetados. Outro trabalho também mostrou que a velocidade, a amplitude e a forma do pico normalmente dependem de para onde ele está indo. Os estudos mais recentes relatados aqui para colisões em células Chara descobriram que os picos registrados eletricamente, em sua maioria, se aniquilam após a colisão.

p Os autores sugerem que do ponto de vista acústico, a aniquilação pode ser o resultado de propriedades não lineares do material de todo o meio excitável. Porque tem havido algumas discrepâncias entre a fase e as direções da expansão celular em diferentes estudos com relação ao curso do tempo do pico elétrico, gravações ópticas de colisão provavelmente seriam informativas. Devemos notar que em axônios, diferentes proteínas e compartimentos lipídicos podem transportar diferentes formas de excitação. Por exemplo, enquanto os canais iônicos são normalmente associados ao pico elétrico, fenômenos de onda do tipo soliton podem se propagar em membranas nuas. Nos primeiros dias, os artigos originais de Hodgkin-Huxley sugeriram que os próprios dipolos de membrana podem ser responsáveis ​​pelos potenciais de ação.

p Além disso, o citoesqueleto de actina também pode propagar a excitação (embora os pulsos geralmente sejam mais longos como na contração muscular), e também o citoesqueleto da tubulina parece suportar excitação e oscilação. Como mencionado, a mielina provavelmente também contribui, possivelmente até mesmo por meio de outros processos físicos, como a propagação de mudanças de fase em componentes lipídicos. Uma coisa que devemos ter em mente para medições in vivo (particularmente para nervos agrupados) é que diferentes fascículos podem formar seu próprio sanduíche óptico que pode ser usado para o comprimento do caminho óptico de referência como feito para o trabalho in vitro de Digand.

p O mais negligenciado, mas talvez a fonte mais importante de excitação nas células ou axônios sejam as mitocôndrias. Nas células do coração, por exemplo, a chamada resposta 'mitoflash', coordenado por até 8.000 mitocôndrias por célula, mantém precisamente o 'ponto de ajuste' do ATP em uma carga de trabalho que muda dez vezes. Esta excitação de mitoflash é ela própria composta de vários componentes diferentes; as chamadas 'faíscas redox', cálcio, NADPH, prótons, e outras moléculas foram registradas, para não mencionar estudos recentes que mostram o interior de mitocondriais que respiram ativamente podem exceder 50 graus C. Embora controverso, ânion superóxido, às vezes associado ao controle direto do envelhecimento e expectativa de vida, também foi presumido para ser detectado por diferentes sondas mitoflash.

p Como as mitocôndrias estão concentradas nos entrenós dos axônios, é bem possível que façam uma contribuição significativa para a condução saltatória de picos nos axônios mielinizados. Considerando que o potencial de membrana na mitocôndria é pelo menos o dobro do da própria célula, e vem em muitos pacotes pequenos e móveis por neurônio, isso pode não ser muito surpreendente. A excitabilidade de toda a célula seria então controlada pela dispersão ou agregação de mitocôndrias em várias formações, talvez semelhante a como a cor da pele é controlada pela mobilização estratégica de melanossomos. Mais localmente, mitoflash foi mostrado para controlar o tamanho e morfologia em espinhas dendríticas, levando a especulações arbitrárias a respeito da memória.

p Para o IMC, muitos desejam um dia ser práticos, não apenas uma teoria de picos será essencial, mas eu sugiro também a capacidade de detectar, Criar, ou destruí-los pelos mesmos processos físicos que os sustentam naturalmente. p © 2017 Phys.org