Otroligt: En grupp israeliska forskare har utvecklat en enhet som använder mänskliga hjärnvågor för att fjärrstyra DNA-baserade nanorobots - medan dessa nanorobots var inne i en levande kackerlacka. Att lyda en persons mentala ordning öppnar robotens skal, som en ostron, och släpper ut en läkemedelsmolekyl som styr kackerlackcellernas fysiologi.
Trots det faktum att detta är”bara en demonstration och ett bevis på konceptet”, öppnar denna teknik en ny era av neurodatorns nanogränssnitt för oss, som kopplar en persons mentala tillstånd med en bioaktiv belastning, som droger. Framtida behandlingar baserade på en sådan prototyp kan göra betydande framsteg i behandlingen av schizofreni, depression eller andra psykiska störningar: läkemedel aktiveras endast när patientens hjärnvågor visar tecken på abnormitet.
Kör positivt tänkande
Arbetet publicerades i den akademiska tidskriften PLoS One.
Att hacka en kackerlackas kroppsfunktioner med tankekraften är i sig ganska intressant, men forskare utvecklade sin teknik med ett annat mål i åtanke: att lösa det irriterande problemet med läkemedelsleverans.
Det är extremt svårt att leverera droger där det behövs, särskilt när det gäller hjärnans inre funktion.
När en person sväljer ett neuroaktivt piller (t.ex. Adderall eller Ritalin) börjar de aktiva ingredienserna cirkulera genom kroppen. Vissa förstörs omedelbart av levern, vilket gör dem mindre effektiva, medan andra bryter igenom blodomloppet och ibland orsakar biverkningar. Forskare har försökt att komma runt detta problem genom att inkapsla läkemedel i olika tablettbeläggningar eller geler med fördröjd frisättning. Men även dessa system är inte helt hanterbara eftersom det inte finns något sätt att stänga av dem när skalet har tagits bort.
Kampanjvideo:
För flera år sedan kom en grupp av Harvard-forskare under ledning av George Church med en mycket exotisk lösning: nanorobots baserade på origami från DNA.
Skal som blötdjur, dessa nanoskaliga robotar består av kedjor av syntetiska DNA-molekyler som inkapslar en läkemedels nyttolast tills det är dags att släppa dem. Till skillnad från tabletter med kontrollerad frisättning är läkemedlet fysiskt fäst vid skalet, så det kommer aldrig att vara fysiskt fritt och vandra runt kroppen. Istället släpps nyttolasten bara när "musslan" öppnas; stäng diskbänken och blockera läkemedlet omedelbart.
Öppningen av nanoroboten sker på grund av arbetet med två lås, som var och en representeras av en speciell DNA-sträng som kallas en aptamer, som binder till en målmolekyl - en receptor på ytan av cancerceller, till exempel. När aptamer låser på ett mål expanderar skalet och släpper ut en värdefull last.
"Dessa nanorobots är det första systemet som kommer nära att faktiskt hantera terapeutiska molekyler", skriver israeliska forskare i sitt arbete. Men vi är skyldiga att hitta specifika molekylära mål - närvarande i sjuka men inte i normalt tillstånd - och knyta robotar till dem. När det gäller cancerceller är detta mycket svårt. Med psykisk sjukdom - och helt omöjligt.
För att DNA-baserade nanorobots ska fungera under dessa förhållanden behövs olika kontrolllägen.
Och detta ledde forskare till idén: eftersom psykiska störningar ofta åtföljs av tydliga tecken på onormal hjärnaktivitet, vilket är lätt att se på EEG, kanske vi kan använda hjärnvågor för att kontrollera nanorobots och släppa droger?
Mind Over Matter
För att testa sin idé byggde forskarna ett enkelt men proof-of-concept-system som kan optimeras ytterligare för faktisk klinisk användning.
Först utbildade de en algoritm för att skilja EEG-mönster från människor i vila eller utföra kraftigt mentalt arbete. De kopplade sedan en fluorescerande molekyl - en nyttolast - till robot-DNA, märkning av den med järnnanopartiklar och injicerade den i kropparna av levande kackerlackor placerade i elektromagnetiska spolar.
Järnnanopartiklar är en viktig punkt: som aptamererna i föregående exempel fungerar de som lås som styr robotens DNA.
En person sätter på en EEG-hjälm, sätter sig bredvid systemet och, på begäran, antingen slappnar av mentalt eller löser matematiska problem. Hjärnvågor avkodas i realtid och används för att ändra tillståndet för den elektromagnetiska spolen och slå på den under beräkningarna. Förskjutningen i det elektromagnetiska fältet värmer upp järnnanopartiklarna, de öppnar "ostron" och släpper ut en fluorescerande molekyl.
18 sekunder efter att ha aktiverat fältet upptäckte forskarna fluorescens i kackerlackan, vilket bekräftade systemets funktionalitet. När den mänskliga operatören mentalt slappnade av stängdes dessutom DNA-skalet och fluorescensen upphörde. Därför har robotarna avaktiverats framgångsrikt.
"Dessa resultat visar framgångsrika interaktioner mellan försökspersoner och robot-DNA i ett levande djur", avslutade författarna.
Telepatisk terapi
Författarna tror att framtida projekt för deras teknik kan användas för att automatiskt släppa droger hos människor när det behövs.
Algoritmen kan tränas för att övervaka hjärnans tillstånd, vilket är associerat med hyperaktivitetsstörning eller schizofreni, eller i allmänhet kan den justeras för att passa behov, säger studieförfattaren Sachar Arnon. Till exempel, om en EEG upptäcker tecken på en eskalerande episod av depression, kan den aktivera DNA-robotar som kortvarigt frisätter antidepressiva medel för att bekämpa symtom innan de blåser dig. Således kommer du inte att ständigt badas i psykoaktiva läkemedel, särskilt om de inte behövs.
Idén är futuristisk och det finns fortfarande mycket arbete att göra. Att övertyga den verkliga världen att använda detta tillvägagångssätt kan vara särskilt utmanande, säger studieförfattaren Dr Doron Friedman.
"Medan vissa trender driver oss mot bärbar teknik är det fortfarande mycket svårt att mäta EEG-signaler av hög kvalitet hos människor i vardagen", förklarar Friedman. För att systemet ska fungera som planerat överväger gruppen att bygga en liten EEG-enhet som kontinuerligt och outtröttligt övervakar hjärnans aktivitet. När abnormiteter uppstår aktiverar den en bärbar enhet - som smartklockor, glasögon eller smycken - för att skapa ett elektromagnetiskt fält som behövs för att frigöra droger.
Men även att dechiffrera hjärnaktivitet är komplex, medger Friedman. För närvarande kan vi hitta några skillnader i EEG hos patienter med psykiska funktionsnedsättningar i laboratoriet. Men att skapa en pålitlig neuromarkör som fungerar i realtid är en helt annan sak. De arbetar dock aktivt med att skapa den.
I vilket fall som helst är forskargruppen optimistisk om framtiden för deras hantverk.
I sin studie använde forskarna hjärnaktivitet som en utlösare. Andra parametrar bör dock vara lika effektiva för att kontrollera DNA-robotar, och dessa data blir mer och mer tillgängliga. Till exempel är hjärtövervakningsappar redan tillgängliga för mobila enheter, och i vissa av dem kan du spåra blodsocker och andra biologiska parametrar.
En sådan anordning kan förenkla många saker i vårt liv. Med bara tankekraften kan vi starta en patrull av DNA-robotar som kommer att släppa melatonin och hantera vår sömnlöshet eller koffein för att muntra upp oss. Vi kan till och med uppnå den ideala berusningsnivån.
”Tänk dig att kunna leverera den exakta mängden alkohol som skulle hålla dig full men hålla dig glad. Det är dumt, men det kan hända, säger Arnon.
ILYA KHEL
