Znajdź zawartość

Badacze z Yale University i National Institute of Standards and Technology (NIST) ulepszyli działanie elektocytów węgorza elektrycznego (Electrophorus electricus). Dzięki temu uzyskują wyższe napięcie, które mają nadzieję wykorzystać do zasilania implantów i innych aparatów medycznych. Elektrocyty tworzą szeregi, zlokalizowane po bokach wzdłuż płetwy odbytowej. Są połączone na zasadzie baterii ogniw galwanicznych, oddziela je galaretowata tkanka. Jedna komórka nie jest w stanie wytworzyć wysokiego napięcia (generuje dziesiąte części wolta), ale cały szereg jak najbardziej tak (600 woltów). Gdy zadziała bodziec chemiczny, otwierają się kanały jonowe. Kationy sodu napływają do wnętrza, a kationy potasu przemieszczają się na zewnętrzną stronę błony komórkowej. Przemieszczanie się jonów zwiększa napięcie, przez co otwiera się coraz więcej kanałów, a po przekroczeniu pewnego punktu proces zaczyna się samonapędzać. Na końcu kanały się zamykają, a aktywny transport jonów przywraca stan wyjściowy. David LaVan, inżynier z NIST, uważa, że w grę wchodzi co najmniej 7 typów kanałów, na które można wpłynąć, manipulując różnymi zmiennymi, np. gęstością rozmieszczenia w błonie. Elektrocyty działają w inny sposób niż neurony. Komórki nerwowe przewodzą, wg Amerykanów, raczej informację, a nie energię. Szybko się wyładowują, nie osiągając przy tym dużej mocy. Elektrocyty reagują wolniej, ale generują wyższe napięcie, które dłużej się utrzymuje. LaVan i Jian Xu opracowali model konwersji stężenia jonów na impulsy elektryczne. Przetestowali go i na podstawie wyników sprecyzowali, jak zmaksymalizować napięcie, zmieniając proporcje i ułożenie różnych typów kanałów. Udało im się uzyskać sztuczną komórkę, która w jednym pulsie generuje o 40% silniejszy sygnał. Druga wersja też działa lepiej od oryginału, szczytowe napięcie jest bowiem wyższe o 28%. Gdy sztuczne elektrocyty ułoży się warstwami w sześcian o boku nieco powyżej 4 mm, można uzyskać stałą moc (300 mikrowatów) do zasilania niewielkich urządzeń medycznych.

Implanty neuronalne mają pomóc osobom sparaliżowanym i posługującym się protezami kończyn w sprawowaniu nad nimi kontroli za pomocą myśli. Do tej pory interfejsy człowiek-maszyna były bardzo toporne i nieelastyczne. Reagowały np. tylko na określony typ sygnału neuronalnego, w dodatku reakcja ta była niezmienna (bazowała na zadanych algorytmach). Naukowcy z Uniwersytetu Florydzkiego ulepszyli tego typu urządzenia, dzięki czemu mogą się one uczyć wraz z mózgiem. Amerykanie wyjaśniają, że wcześniej komunikacja między komputerem a mózgiem przebiegała jednokierunkowo. Mózg wydawał polecenia, a implant je realizował, czyli przekazywał sygnał elektryczny do protezy. Teraz nowy system może wtrącić swoje trzy grosze. Pozwala to urządzeniu na nawiązanie czegoś w rodzaju dialogu i na dostosowanie do zmieniającego się zachowania człowieka na bieżąco. Dzięki temu zadania są wykonywane efektywniej, a sam interfejs działa na zasadzie asystenta. Przetestowano go już na szczurach (IEEE Transactions on Biomedical Engineering). W ogólnym schemacie interfejsów mózg-maszyna oznacza to kompletną zmianę paradygmatu – cieszy się Justin C. Sanchez, jeden z współautorów studium, a zarazem profesor nadzwyczajny neurologii pediatrycznej na tutejszym uniwersytecie. Wg niego, oznacza to znaczne rozszerzenie możliwości interakcji z implantem. Podczas wykonywania jakiejś czynności nie wydajemy mu rozkazów, interfejs zaczyna nam przy niej towarzyszyć. My znamy cel, komputer zna go również i pracujemy razem nad rozwiązaniem zadania. Nad implantami wielkości chipa naukowcy głowią się już od wielu lat. Do tej pory maszyna była jednak zaprogramowana w taki sposób, jakby człowiek w ogóle się nie zmieniał. Tymczasem uczymy się przez całe życie, zmieniają się też pisane przez nie scenariusze, musieliśmy więc stworzyć paradygmat, który zezwala na interakcję i rozwój. Sanchez i jego współpracownicy opracowali zatem system, który bazuje na ustalaniu celów i nagradzaniu. Trzem szczurom wszczepiono do mózgu wyłapujące sygnały niewielkie elektrody. Zwierzęta myślały o poruszeniu protezą w kierunku określonego celu. Za każdym razem, gdy im się to udało, dostawały w nagrodę kroplę wody. Dodatkowo komputer miał zdobyć tak dużo punktów, jak tylko się dało. Im bliżej szczur zbliżył ramię do celu, tym więcej mu ich przyznawano. W ten sposób interfejs mógł się zorientować, które sygnały z mózgu prowadzą do większej nagrody. Mimo że wzrastała trudność czynności, z czasem były one wykonywane dokładniej. Działo się tak dużo częściej, niż gdyby udawało się to przypadkowo.

Masz kompleksy z powodu swojego zbyt małego wzrostu? Kobiety radzą sobie z tym, wkładając buty na wysokim obcasie, mężczyźni mogą sobie dodać centymetrów odpowiednim strojem i nieco grubszą podeszwą. Dr Luis de la Cruz, chirurg kosmetyczny z Kliniki La Luz w Madrycie, stosuje jednak bardziej radykalne rozwiązanie: silikonowy implant "nagłowowy" o grubości nieco ponad 5 cm. Zabieg trwa ok. 90 min, zazwyczaj przeprowadza się go w znieczuleniu miejscowym. W tym czasie po jednej stronie głowy wykonuje się nacięcie i wciska przez nie implant. Ostatecznie układa się on między skórą a kośćmi czaszki. Na operację trzeba wysupłać między 17 a 18 tys. zł. Pacjent opuszcza szpital już następnego dnia. Na razie Hiszpan zoperował 17 osób. Twierdzi, że na pomysł wpadł w przypływie olśnienia. Spotkał się z kobietą, która od zawsze marzyła, by zostać stewardesą, ale została odrzucona, gdyż do spełnienia norm zabrakło jej zaledwie 1,27 cm. Pytała, czy istnieje jakaś metoda niewielkiego powiększenia wzrostu. W tym czasie korzystano tylko z jednej techniki, a mianowicie z "naciągania" kości nóg. Jest to jednak rozwiązanie ekstremalne i bolesne. To sprawiło, że zacząłem dywagować. Wielokrotnie wszczepiałem implanty brody i nagle pomyślałem: "Dlaczego nie wykorzystać implantu wprowadzanego między czaszkę a skórę głowy?". Dzięki temu nie tylko jego pierwsza pacjentka, Eugenia, została stewardesą, ale poprawiła się też jakość życia innych ludzi. Zabieg odradza się osobom o pociągłych i wąskich twarzach, ponieważ po wszczepieniu implantu wyglądałyby nienaturalnie.

Być może już za kilka lat chirurdzy zrezygnują z zakładania szwów na rzecz klejenia tkanek. Pomysły na to, jak wprowadzić zamiar w życie, naukowcy zaczerpnęli od małży, które potrafią przywierać zarówno do porowatych, jak i gładkich powierzchni. Wtedy przeszczepiane serce czy nerkę można by przykleić do tkanek biorcy, a miejsce połączenia utwardzić promieniowaniem ultrafioletowym. Po 30 sekundach procedura byłaby zakończona. Dr Klaus Rischka, chemik z Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Applied Materials Research (IFAM), jest przekonany, że niedługo idea ta stanie się czymś więcej niż tylko nagrodzonym projektem. Już wkrótce klej zostanie wykorzystany do zamocowania tytanowego implantu stomatologicznego. Obecnie implanty zębów są mocowane w kościach szczęki bez kleju. Wskutek tego między dziąsłem a metalem często pozostaje szczelina, w którą mogą wnikać bakterie. Wtedy rozwija się stan zapalny. Klej, który na stałe połączyłby implanty z dziąsłem, stanowiłby skuteczną barierę. Zwykłe produkty nie nadają się do tego celu, ponieważ z czasem by się rozpuściły. Naukowcy z IFAM zidentyfikowali substancję, która pozwala małżom na trwałe przyczepianie się do zanurzonych w wodzie obiektów. Siłę wiązania klej zawdzięcza pewnemu białku. Chemikom udało się je odtworzyć w warunkach laboratoryjnych. Rozwiązanie wykorzystano już do codziennych napraw, przeprowadzanych przez załogę obsługującą loty Europejskiej Agencji Kosmicznej. Zastosowania medyczne wymagają dodatku białka wzrostu, które może zostać wyprodukowane dzięki syntezie peptydów na fazie stałej. Miałoby ono stymulować wzrost tkanek gospodarza; związałyby się one jak najbliżej z wprowadzanym do organizmu ciałem obcym. Do opisanego wyżej duetu trzeba jeszcze dołączyć trzeci element: polimerowy nośnik. Naukowcy szacują, że dwa lata zajmą prace przygotowawcze do prób klinicznych. Potem potrzeba kolejnych 5-10 lat na testy.

Agencja informacyjna Xinhua poinformowała, że chińscy naukowcy wszczepili do mózgów gołębi elektrody, które pozwalały na zdalne sterowanie ich lotem. Dzięki mikroelektrodom pracownicy centrum robotyki na Shandong University of Science and Technology "nakazywali" ptakom lecieć w prawo, w lewo, w dół lub w górę. Implanty stymulują różne obszary mózgu. Sygnały elektryczne wysyłane za pośrednictwem komputera naśladują impulsy generowane w naturze przez sam mózg — tłumaczy nadzorujący badania Su Xuecheng. Podobne eksperymenty jak z gołębiami przeprowadzono dwa lata temu z myszami. Ich autorem był również Xuecheng. Chińczyk uważa, że "zwierzęce roboty" doprowadzą do połączenia dwóch gałęzi nauki, biologii oraz komunikacji elektronicznej, i stworzenia całkiem nowej. Według niego, to niepowtarzalna szansa na opracowanie metod leczenia chorób, w których dochodzi do uszkodzenia nerwów.

Naukowcom z Brown University i Massachusetts General Hospital udało się dokonać dużego kroku naprzód w kierunku wynalezienia implantu, który pozwoliłby osobom sparaliżowanym na kontrolowanie swoich kończyn. W ostatnim wydaniu magazynu Nature opisują przypadku dwóch pacjentów z wszczepionym implantem, którzy potrafili za pomocą myśli kontrolować komputerem i ramieniem robota. Po raz pierwszy udało się osiągnąć takie wyniki w przypadku ludzkich implantów. Obecnie uczeni pracują nad udoskonaleniem swojego wynalazku tak, by był on w pełni przydatny podczas codziennego życia pacjentów. Urządzenia, nad którymi pracują mają wykorzystywać komunikację bezprzewodową, być w pełni wszczepialne, zapewniać większą szybkość i dokładność ruchów, które mogłyby wykonywać osoby wyposażone w takie implanty. To bardzo ważne badania, ponieważ wykazały, że nawet gdy od wypadku, który pozbawił pacjenta władzy w kończynach miną lata, mózg wciąż wysyła sygnały, które można wykorzystać – mówi Joseph Pancrazio, dyrektor programowy badań inżynierii neuronowej Narodowego Instytutu Badań nad Chorobami Neurologicznymi i Udarami. Zespół [z Brown University i Massachusetts General Hospital – red.] naprawdę przesunął granice naszego poznania – dodał. Podczas uszkodzeń rdzenia kręgowego i niektórych typów udarów, zniszczeniu ulegają kanały komunikacyjne pomiędzy mózgiem a mięśniami. Implanty mają za zadanie zbierać i przetwarzać istniejące sygnały tak, by można było za ich pomocą kierować kursorem na ekranie, ramieniem roboty, czy nawet sparaliżowaną kończyną. Grupa z Brown/MGH po raz pierwszy zastosowała implant wszczepiany do ludzkiego mózgu w czerwcu 2004 roku. Od tamtego czasu docierały do wiadomości publicznej szczątkowe informacje, które wskazywały na to, że eksperyment daje pozytywne rezultaty. Publikacja na Nature jest pierwszym dokładnym przeglądem jego wyników. Zastosowany implant wyprodukowany został przez firmę Cyberkinetics Neurotechnology Systems. Składa się on ze 100 elektrod, które nagrywają sygnały z setek neuronów kory motorycznej. Specjalny program komputerowy tłumaczy następnie sygnały tak, by były one zrozumiałe dla urządzenia, które ma być kontrolowane. Pierwszy z pacjentów, 25-latek sparaliżowany wskutek rany zadanej nożem, bardzo szybko nauczył się kontrolować kursor komputera, wykorzystywać program pocztowy, włączać telewizor i przełączać kanały. Po podłączeniu do sztucznego ramienia mógł nim sterować, podnosić cukierek i kłaść go we wskazanym miejscu. Dwóch innych pacjentów również kontrolowało kursor, ale jeszcze nie próbowali operować sztucznym ramieniem. Podobnych eksperymentów od lat dokonywano na zwierzętach. Ten jest pierwszym, w którym z powodzeniem zastosowano go na ludziach. Pomimo sukcesu do skonstruowania użytecznego urządzenia, które poprawi jakość życia pacjentów jest jeszcze długa droga – mówi Andrew Schwartz, neurolog z University of Pittsburg. Wykorzystanie podobnych technologii u małp dało lepsze rezultaty, co pokazuje, że "ludzkie" implany może jeszcze udoskonalić.