"Нейрозерна" могут стать следующим интерфейсом мозг-компьютер.

Десятки микрочипов, рассеянных по кортикальной поверхности, могут позволить исследователям прослушивать тысячи нейронов одновременно.

Команда Университета Брауна разработала систему, в которой используются десятки кремниевых микрочипов для записи и передачи активности мозга на компьютер. Чипы, получившие название "нейрозерна", каждый из которых размером с крупицу соли, предназначены для расположения по определенной поверхности мозга или по всей его ткани для сбора сигналов нейронов из бОльшего количества областей, чем это возможно в настоящее время с помощью других мозговых имплантов.

«Каждое зерно имеет достаточно микроэлектроники, поэтому, будучи встроенным в нервную ткань, оно может прослушивать нейронную активность, а затем передавать ее как крошечное радио во внешний мир», - говорит ведущий разработчик Арто Нурмикко, нейроинженер из Брауна, который руководит разработкой нейрозерен. Система, известная как интерфейс мозг-компьютер, описана в статье, опубликованной 12 августа в Nature Electronics.

Вместе с другими исследователями Университета Брауна, а также сотрудниками из Университета Бэйлора, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Qualcomm, Нурмикко начал работать над нейрозернами четыре года назад при первоначальном финансировании со стороны DARPA (где интересно, там я - прим. перев.). Пока что исследователи протестировали нейрозерна только на грызунах, но они надеются, что их прототип заложит основу для исследований на людях. Помимо регистрации активности мозга, нейрозерна также могут и стимулировать нейроны слабыми электрическими импульсами, что делает их перспективными средством для лечения заболеваний мозга, таких как эпилепсия и болезнь Паркинсона или восстановления функций мозга, утраченных из-за травм (для передачи информации в мозг и гейминга! - прим. перев.).

Команда имплантировала систему крысе, выполнив трепанацию черепа, чтобы разместить 48 нейрозерен в коре головного мозга - внешнем слое мозга, расположив микрочипы так, чтобы покрыть бОльшую часть моторных и сенсорных областей. Тонкая пластина размером с отпечаток большого пальца, прикрепленная к коже головы, действовала как внешний коммуникационный узел, получая сигналы от нейрозерен, обрабатывая их и заряжая чипы по беспроводной сети.

Исследователи проверили систему, пока животное находилось под наркозом и обнаружили, что нейрозерна способны регистрировать спонтанную корковую активность крысы. Однако качество сигналов было не таким хорошим, как у коммерческих микросхем, используемых в большинстве исследований интерфейсов мозг-компьютер. Эти интерфейсы разрабатывались с 1970-х годов и в последние годы они позволили небольшому количеству парализованных пациентов управлять планшетными устройствами, набирать текст на компьютере со все более высокой скоростью, перемещать конечность робота или курсор силой мысли.

Для людей с травмами головного и спинного мозга эти системы могут в конечном итоге восстановить возможность общения и движения, позволяя жить более независимо. Но в настоящее время они не так уж практичны. Большинство из них требуют сложной настройки и не могут использоваться за пределами исследовательской лаборатории. Люди, оснащенные имплантами мозга, также ограничены в типах действий, которые они могут выполнять из-за относительно небольшого числа нейронов, с которых имплантаты могут считывать сигналы. Наиболее распространенный мозговой чип - массив Юты, представляет собой ложе из 100 силиконовых игл, каждая из которых имеет электрод на конце, вонзающийся в ткань мозга. Один из этих массивов, размером примерно с лицо Авраама Линкольна на центе США, может регистрировать активность нескольких сотен окружающих нейронов.

Но многие функции мозга, которые интересуют исследователей, такие как память, язык и принятие решений, связаны с сетями нейронов, которые широко распределены по всему мозгу. «Чтобы понять, как эти функции на самом деле работают, вам необходимо изучить их на системном уровне», - говорит Шантель Прат, доцент психологии Вашингтонского университета, не участвующая в проекте нейрозерен. В ее работе используются неинвазивные интерфейсы мозг-компьютер, которые носят на голове, а не имплантируют.

Возможность записи гораздо бОльшего числа нейронов может осуществить более тонкий моторный контроль и расширить возможности, которые в настоящее время возможны с помощью устройств, управляемых мозгом. Исследователи также могут использовать их на животных, чтобы узнать, как разные области мозга общаются друг с другом. «Когда дело доходит до того, как работает мозг, целое важнее, чем сумма частей», - говорит она.

Флориан Сольцбахер, соучредитель и президент Blackrock Neurotech, компании, производящей массив Юты, говорит, что подобная система нейронных имплантов может не понадобиться для многих краткосрочных целей, таких как обеспечение основных двигательных функций или использование компьютера. Однако более футуристические задачи, такие как восстановление памяти или восприятия, почти наверняка потребуют более сложного устройства. «Очевидно, что Святой Грааль будет технологией, которая сможет записывать данные с максимально возможного числа нейронов всего мозга, на поверхности и в глубине», - говорит он. «Нужно ли это вам во всей его сложности прямо сейчас? Возможно нет. Но, с точки зрения понимания работы мозга и рассмотрения будущих возможностей, чем больше у нас информации, тем лучше».

Мельчайшие датчики также могут совершать меньшее повреждение мозга, продолжает он. Существующие массивы, даже если они и так крошечные, могут вызвать воспаление и рубцевание вокруг места имплантации. «Как правило, чем меньше вы делаете что-то, тем меньше вероятность того, что иммунная система обнаружит это и обозначит как посторонний объект», - говорит Сольцбахер, не участвовавший в исследовании Брауна. Когда тело обнаруживает инородный объект, такой как заноза, оно пытается либо растворить и разрушить его, либо покрыть рубцовой тканью.

Хотя меньший размер может быть лучше, это не обязательно надежно, предупреждает Сольцбахер. Даже крошечные имплантаты могут вызвать иммунный ответ, поэтому нейрозерна обязательно должны быть сделаны из биосовместимых материалов. Основным препятствием при разработке имплантов для мозга была попытка минимизировать вред при создании долговечного имплантата, чтобы избежать риска хирургических операций по замене. Текущие массивы служат около шести лет, но многие перестают работать гораздо раньше из-за рубцовой ткани.

Если даже нейрозерна - это победа, остается вопрос, как доставлять их в мозг. В своем эксперименте с грызунами исследователи Брауна удалили большую часть черепа крысы, что по очевидным причинам не было бы идеальным для человека. Современные имплантированные массивы требуют просверливания отверстия в голове пациента, но команда Брауна хочет полностью избежать инвазивной хирургии головного мозга. Для этого они разрабатывают технику введения нейрозерен с помощью тонких игл, которые могут поникнуть в череп с помощью специального устройства. (Neuralink тоже разрабатывают похожего на «швейную машину» робота для установки своего мозгового импланта.)

Безопасность и долговечность микрочипов необходимо будет проверить на бодрствующих и свободно передвигающихся грызунах, что команда Брауна планирует сделать далее. Затем они перейдут к исследованиям на обезьянах. В конечном итоге Нурмикко предполагает, что количество имплантов у крысы можно будет увеличить до 770 нейрозерен, что может покрыть поверхность человеческого мозга.

С таким большим количеством нейронных данных, собираемых всеми этими чипами, декодирование сигналов будет сложной задачей. Команда Брауна хочет иметь возможность записывать данные с тысяч, а в конечном итоге и с сотен тысяч нейронов. Все эти мозговые сигналы необходимо будет декодировать и преобразовать в команды, которые будут передаваться на внешние устройства, выполняющие желаемые действия пользователя. Это потребует гораздо более сложного анализа нейронной информации, чем требуют современные простые системы.

Тем временем команда Нурмикко хочет посмотреть, смогут ли они сделать нейрозерна еще меньше, чтобы их сотни, помещенные в мозг, нанесли минимальный ущерб. Это, по словам Нурмикко, проблема микроэлектроники. «Ты делаешь штуку как в кино "Дорогая, я уменьшил детей"», - говорит он. «Но чип изменяет свои свойства и он может уже не совсем выполнять то, что вы хотите, и вам приходится повторять это снова. Это кровь, пот и слезы на нашем пути.»

Источник: vk.com

Комментарии: