Neuronanorobotics: a proposed medical technology to preserve human brain information

Abstract

The human brain is the only body organ that cannot, even in principle, be transplanted from a donor without fundamentally altering the individual persona of the recipient. Information pertaining to brain structure, neural connectivity, neurotransmitter activity, cellular and organ-level neurological function, and higher mental states including personality and self-awareness can be permanently altered or lost as a result of physical trauma, pathogenic diseases, and a variety of common degenerative disorders such as ALS and Alzheimer’s, Huntington’s and Parkinson’s diseases. Once destroyed, this information cannot, even in principle, be recovered using current techniques, thus permanently diminishing patient health. It must be a key goal of future medical technology to provide novel methods for non-destructively acquiring, transmitting, validating, and archiving comprehensive brain-related structural and functional information. Such person-specific information, once preserved, might subsequently be employed to analyze existing pathologies at cellular detail and to devise appropriate therapies, and ultimately might be used to guide processes designed to restore the original state of the brain that existed prior to its pathological degradation. Medical technological tools and methods for monitoring, measuring, validating, and archiving comprehensive brain-related structural and functional information are urgently necessary because current technologies do not provide the necessary temporal and spatial resolution requirements for preserving fundamental human brain information. For example, none of the current technologies, either destructive or non-destructive in nature, can monitor the whole human brain in vivo, in real-time, with adequate cellular and subcellular temporal and spatial resolution, for mapping the brain structural and functional electrical connectome with appropriate detail. The emerging prospect of medical nanorobotics appears to offer an ideal technology for monitoring, recording, and even manipulating many different types of brain-related information [Freitas, 1998, 1999, 2002, 2003, 2005a,b; Morris, 2001; Astier et al., 2005; Patel et al., 2006; Park et al., 2007; Popov et al., 2007; Martel et al., 2009; Mallouk and Sen, 2009; Kostarelos, 2010; Mavroides and Ferreira, 2011]. This thesis proposes a new medical technology called “neuronanorobotics” to non-destructively preserve comprehensive whole human brain information. Coordinated activities of large numbers of cooperating neuronanorobots shall permit real-time monitoring of single-neuron neuroelectric activity, local neuropeptide traffic, and other relevant functional data, permitting simultaneous non-destructive in-vivo whole-brain monitoring. Aside from being capable of real-time monitoring of single-neuron neuro-electric activity, local neuropeptide traffic, and other relevant functional data, neuronanorobots are also expected to acquire relevant structural sub-cellular level information including neuron surface features and connectome mapping from the living human brain [Sporns et al., 2005; Lu et al., 2009; Anderson et al., 2011; Kleinfeld et al., 2011; Seung, 2011]. When coupled with single-cell repair capabilities [Freitas, 2007], advanced medical neuronanorobotics provides the ultimate technology needed to treat Parkinson’s and Alzheimer’s diseases, other brain-related neurodegenerative disorders, epilepsy, dementia, memory and sensory disorders, spinal cord and neuromuscular disorders, pain and toxic disorders, and a wide variety of traumatic injuries to the brain.

O Cérebro Humano é o único órgão do corpo que não pode, mesmo em principio, ser transplantado de um dador sem alterar fundamentalmente o paciente. A informação existente na estrutura cerebral, conectividade neuronal, actividade dos neuro-transmissores, função neurológica ao nível celular e dos sub-sistemas, e estados mentais de alto-nível incluindo personalidade e consciência, podem ser permanentemente alterados ou perdidos resultado de trauma físico, doenças patogênicas, e uma variedade de doenças degenerativas como Esclerose Lateral Amiotrófica, Alzheimer, Doença de Huntington ou Parkinson. Uma vez destruída, essa informação não pode, em principio, ser recuperada usando técnicas actuais, diminuindo permanentemente a saúde do paciente. Um dos objectivos fundamentais das tecnologias médicas futuras tem de ser o de criar novos métodos para, de forma não-destrutiva, adquirir, transmitir, validar e arquivar a informação estrutural e funcional do cérebro humano de forma abrangente e detalhada. Essa informação individualizada, após preservada, pode posteriormente ser usada para avaliar patologias existentes ao nível celular, pode também ser usada para orientar terapias apropriadas, e pode ainda, eventualmente, ser usada para guiar processos que irão restaurar o estado original do cérebro humano existente antes da degradação patológica. Métodos e ferramentas tecnológicos médicas para monitorizar, medir, validar, e arquivar informação cerebral estrutural e functional abrangente e completa são urgentemente necessários dado que as atuais tecnologias não preenchem os requisitos necessários de resolução temporal e espacial para preservar a informação fundamental do cérebro humano. A emergência da nanorobótica médica parece trazer uma tecnologia ideal para monitorizar, gravar, e mesmo manipular vários diferentes tipos de informação cerebral [Freitas, 1998, 1999, 2003, 2005a,b; Morris, 2001; Astier et al., 2005; Patel et al., 2006; Park et al., 2007; Popov et al., 2007; Martel et al., 2009; Mallouk and Sen, 2009; Kostarelos, 2010; Mavroides and Ferreira, 2011]. Esta tese propõe uma nova tecnologia médica, chamada “neuronanorobótica”, para preservar de forma nãodestrutiva e abrangente a informação de todo o cérebro humano. A actividade coordenada de um vasto número de neuronanorobôs colaborativos deverá permitir a monitorização, em tempo real, da actividade neuro-eléctrica individual de cada neurónio, do tráfico local de neuropeptidos, e de muita da informação funcional relevante, permitindo a monitorização não destrutiva, realizada in-vivo e em simultâneo, de todo o cérebro humano. Para além de possibilitar a monitorização em tempo real da actividade neuro-eléctrica de neurónios individuais, do tráfego local de neuropeptidos, e de outra informação funcional relevante, também é esperado que os neuronanorobôs permitam adquirir informação estrutural relevante ao nível sub-celular, incluindo características da superfície dos neurónios e o mapeamento do connectoma de um cérebro humano vivo [Sporns et al., 2005; Lu et al., 2009; Anderson et al., 2011; Kleinfeld et al., 2011; Seung, 2011]. Quando aliada à capacidade de reparação de células individuais [Freitas, 2007] a neuronanorobótica médica avançada será a tecnologia de eleição necessária para tratar as doenças de Parkinson, Alzheimer, e outras doenças neurodegenerativas, epilepsia, demência, doenças de memória e sensoriais, doenças neuromusculares, doenças que envolvem a espinal medula, doenças tóxicas e da dor, e um largo espectro de traumatismos do cérebro Humano.