Инвазивные нейроинтерфейсы

Нейроинженер Михаил Лебедев об активности нейронов, Эдгаре Эдриане и нейроимплантах

С помощью неинвазивных нейроинтерфейсов регистрируют электрическую активность нейронов, не проникая в сам мозг. Однако такой вид записи не самый эффективный, поскольку информацию неинвазивные интерфейсы извлекают из мозга очень медленно. Почему будущее за инвазивными нейроинтерфейсами, которые позволяют регистрировать нейронную активность посредством вживления электродов в мозг?

Регистрация нейронной активности

Что представляет собой активность нейронов? Нейрон — это такой элемент, который имеет некий заряд и напряжение на мембране. Это напряжение сначала меняется аналоговым образом, а после возникает потенциал действия (спайк), который отправляется к другим нейронам как единица информации. Из-за того, что нейроны передают информацию друг другу такими потенциалами действия, то есть присутствием либо отсутствием активности, многие сравнивают мозг с цифровым компьютером. Конечно, ничего общего между ними нет, и нули и единицы, которые есть в компьютере, никакого отношения к «нулям» и «единицам» в мозге не имеют. Разряды нейронов мозга — это лишь способ надежно передавать информацию по нервам, никакого двоичного кодирования там нет, все работает иначе.

О том, что нейроны вообще регулируют разряды, стало известно относительно недавно. Только в 1928 году Эдгар Эдриан случайным образом обнаружил, что нейроны генерируют такие разряды: он проводил эксперименты с сетчаткой жабы и просто подсоединил свое записывающее устройство к громкоговорителю, и вдруг он услышал какие-то щелчки. Оказалось, что нейроны генерируют такие потенциалы действия. Сейчас каждый уважающий себя нейрофизиолог стремится записывать именно их. И наиболее качественным способом является запись сигналов отдельного нейрона. Для этого нужно подсоединиться к нейрону, убедиться, что записывается только он один, и как можно дольше и в разных ситуациях фиксировать его активность.

Эксперименты на животных

Это можно делать у животных, которые бодрствуют и не находятся под действием анестетиков. Такие эксперименты стали активно проводиться в 1960-е годы. На обезьянах это начал делать Эдвард Эвартс. Он вживлял в мозг обезьяны электрод, и обезьяна выполняла какую-то моторную задачу. Например, она могла тянуть рычаг на себя или отталкивать его. Эвартс в это время записывал активность отдельного нейрона в моторной коре обезьяны — записи были очень хорошие, поскольку нейроны в моторной коре крупные. Обезьяна работала за вознаграждение — как правило, это был сок. Эвартс видел, что отдельные нейроны в моторной коре коррелировали с движениями обезьяны: она тянет на себя рычаг — активность нейрона увеличивается; толкает рычаг — активность нейрона снижается.

Не очевидно, что так должно происходить. Если бы это был не мозг обезьяны, а компьютер и мы бы пытались записывать с помощью электрода, то не получили бы такой надежности, поскольку в компьютере информация попадает в ячейку случайным образом и нет такой периодичности. Нам повезло, что мозг устроен так, что имеется некая корреляция активности нейронов и действий, которые мы хотим выполнять через нейроинтерфейс.

После Эвартса исследованиями на обезьянах занялся Апостолос Джеорджопулос, который разнообразил эксперимент: обезьяна двигала рычаг в восьми направлениях, а также совершала трехмерные движения. Он обнаружил, что нейроны кодировали направления движения, то есть у каждого нейрона было преимущественное направление движения: если обезьяна двигала рукой в определенном направлении, то его активность была высока, а если в других направлениях, то активность нейрона снижалась. Зависимость частоты разряда нейронов моторной коры от угла направления движения можно было описать косинусом угла. Затем Джеорджопулос сделал следующий важный шаг: раз каждый нейрон имеет преимущественное направление, то можно реконструировать движения из активности нейронов. Был разработан алгоритм популяционного вектора: частоты разрядов нейронов умножаются на характерные вектора для каждого нейрона и суммируются, и на выходе мы имеем направление, совпадающее с реальным направлением движения. Но это ситуация, когда популяции нейронов кодируют направление.

Джеорджопулос высказывал очень хорошие идеи, но проблема была в том, что он не мог регистрировать активность большого количества нейронов одновременно в реальном времени: сегодня он записал один нейрон, завтра другой, послезавтра еще два, и лишь спустя полгода он мог уже анализировать активность всех нейронов и декодировать направления. Если мы хотим получить качественную работу нейроинтерфейса, который управляет, например, протезом руки, мы должны записывать активность многих нейронов одновременно. А для этого необходимо имплантировать в мозг обезьяны или человека сразу большое количество электродов. Современные нейроимпланты представляют собой матрицы из электродов, которые вставляются в мозг и регистрируют активность нейронных ансамблей. Начиналось это с десятков нейронов, а сейчас можно записывать тысячи, и есть надежда, что скоро мы сможем охватывать миллионы нейронов.

Первыми учеными, которые начали многоканальную регистрацию нейронных ансамблей, были Мигель Николелис, Джон Чэпин, затем Джон Донохью, Эндрю Шварц. Все они работали на обезьянах, и до сих пор этот метод используется. Матрица электродов вставляется в мозг обезьяны на несколько месяцев и даже лет. Если все работает хорошо, то ученые каждый день записывают активность большого количества нейронов.

Имплантация электродов в мозг человека

Матрицу электродов разрешено имплантировать человеку — это Utah Array («Ютовская проба»), представляющая собой матрицу из 100 электродов (10x10). Если пытаться внедрить ее в мозг медленно, то она будет просто давить на него и никогда туда не вставится, поэтому ее буквально заколачивают в мозг пневматическим молотком.

Также существует нейротрофический электрод, который разработал Филипп Кеннеди. Идея была в том, что если заполнить электрод фактором роста нейронов, то нейронам такой электрод понравится, и они свои нейриты (отростки) отправят внутрь этого электрода, что улучшит качество записи. Идея очень хорошая, но, к сожалению, только Филипп Кеннеди мог воспользоваться этой методикой, нигде больше она не была воспроизведена. Но сам он настолько уверовал в нее, что даже решил имплантировать электрод в самого себя. С этой целью он поехал в Центральную Америку и там попросил нейрохирурга имплантировать электрод в мозг. Но что-то пошло не так, и опыт не удался, поэтому электрод пришлось удалить.

Сейчас системы записи, особенно инвазивные, бурно развиваются. Совершенствуются материалы и технологии внедрения и записи. Сейчас на слуху компания Илона Маска, которая предлагает вживлять электроды в мозг с помощью устройства, которое напоминает швейную машинку. Также существует нейропыль — частички, которые проникают в мозг, а затем «коммуницируют» с внешним записывающим устройством при помощи ультразвука. Нейронную паутину буквально впрыскивают при помощи шприца в мозг. Все эти технологии развиваются.

Я верю, что будут решены проблемы и биосовместимости, и качества записи. В течение 50 лет будут созданы такие электроды, которые позволят без рисков записывать инвазивным путем активность мозга человека. Они будут имплантированы в мозг и не иметь проводов. Электроды позволят регистрировать нейронные ансамбли, что даст возможность управлять протезами и другими внешними устройствами. Если это произойдет, неинвазивные способы записи для нейроинтерфейсов станут менее популярными — если, конечно, не будут изобретены какие-то новые неинвазивные способы, которые будут конкурировать с инвазивными. Но будущее пока все-таки за инвазивными интерфейсами.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: