Истории

Исследователи разработали новый нейроинтерфейс: он состоит из десятков чипов и крепится к мозгу

Истории
Дарья Сидорова
Дарья Сидорова

Редактор отдела «Истории».

Дарья Сидорова

Команда ученых из Брауновского университета разработала новый мозговой имплант. Он состоит из десятков кремниевых микрочипов, которые считывают мозговую активность и передают эти данные компьютеру. Такие чипы — размером с крупинку соли — получили название «нейрозерна» (neurograins). Они распределяются по всей поверхности мозга и собирают нейронные сигналы из большего количества областей по сравнению с другими мозговыми имплантами.

Исследователи разработали новый нейроинтерфейс: он состоит из десятков чипов и крепится к мозгу

«В каждое зерно встроена микроэлектроника, которая при присоединении к нервной ткани позволяет как прослушивать нейронную активность, так и передавать ее во внешний мир», — рассказывает нейроинженер Брауновского университета Арто Нурмикко, возглавивший разработку нейрозерен.

Подробное описание этой системы, известной как нейрокомпьютерный интерфейс, изложено в статье, опубликованной в Nature Electronics.

Об исследовании

Работа над нейрозернами началась четыре года назад. Помимо исследователей из Брауновского университета, в разработке также участвовали сотрудники Бэйлорского университета, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Qualcomm. Первоначальное финансирование предоставило Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США.

Помимо записи мозговой активности, нейрозерна также могут стимулировать нервные клетки небольшими электрическими импульсами. Эта технология способна помочь в лечении заболеваний мозга, таких как эпилепсия и болезнь Паркинсона, а также в восстановлении функций мозга, утраченных из-за травмы. Но пока нейрозерна протестированы только на грызунах.

Путем трепанации черепа команда имплантировала 48 нейрозерен в кору головного мозга крысы, чтобы охватить большую часть моторных и сенсорных областей. На голове прикрепляется тонкий пластырь размером с отпечаток большого пальца. Он выступает в качестве внешнего узла связи: он получает сигналы от нейрозерен, обрабатывает их и заряжает чипы беспроводным способом.

Фото в тексте: Брауновский университет

Исследователи протестировали систему, пока животное находилось под анестезией. Они обнаружили, что нейрозерна способны записывать спонтанную активность мозга крысы, находящейся без сознания. Однако качество сигналов уступало коммерческим чипам, используемым в большинстве исследований нейрокомпьютерных интерфейсов.

Недостатки современных нейроинтерфейсов

Нейроинтерфейсы разрабатываются еще с 1970-х годов. За последние годы с их помощью несколько парализованных пациентов смогли пользоваться планшетами, значительно быстрее печатать на компьютере с помощью силы мысли, а также управлять роботизированными конечностями и экранным курсором.

Такие системы способны помочь людям с повреждениями мозга и позвоночника жить более независимо. Однако пока многие из них подходят для практического использования и требуют серьезных настроек. К тому же люди с мозговыми имплантами могут выполнять лишь некоторые действия, так как оборудование получает данные с относительно небольшого числа нейронов.

Самый распространенный мозговой чип — Utah Array — представляет собой поверхность со 100 кремневыми иглами. Их кончики оснащены электродами, которые погружаются в мозговую ткань. Каждый из этих чипов способен считывать активность с нескольких сотен окружающих нейронов.

Однако многие функции мозга, такие как память, язык и принятие решений, используют сети нейронов, распределенные по всему мозгу. «Чтобы понять, как работают эти функции, нужно изучать их на системном уровне», — рассказывает доцент психологии Вашингтонского университета Шантель Прат (не участвовала в разработке нейрозерен).

Прат работает с неинвазивными нейрокомпьютерными интерфейсами, которые одеваются на голову, а не имплантируются.

Получение данных от большего количества нейронов поможет более точно координировать движения и расширить возможности устройств, контролируемых мозгом. А исследования на животных позволят выяснить, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом.

«С точки зрения работы мозга, целое имеют большее значение, чем сумма его частей», — утверждает Прат.

Флориан Сольцбахер, сооснователь и президент Blackrock Neurotech, которая производит Utah Array, утверждает: текущие способы применения имплантов, такие как активация базовых двигательных функций и работа с компьютером, не требуют распределенной системы. Однако, чтобы восстановить память и когнитивные способности, почти наверняка потребуется более сложная система. 

По словам Сольцбахера, уменьшение размера сенсоров также позволит снизить воздействие на мозг. Несмотря на то, что текущие чипы имеют относительно небольшой размер, они все же могут вызывать воспаление и образование рубцов вокруг импланта.

«Как правило, чем меньше устройство, тем ниже вероятность того, что иммунная система воспримет ее как инородный объект», — рассказывает Сольцбахер. Когда организм обнаруживает инородный объект, например занозу, он пытается уничтожить его или покрыть рубцовой тканью.

Тем не менее Сольцбахер отмечает: проблемы могут возникнуть даже с крошечными имплантами. Поэтому нейрозерна также необходимо изготавливать из биосовместимых материалов. Помимо этого, ученые пытаются создать более долговечные чипы. Текущие версии служат около шести лет, но многие из них выходят из строя гораздо раньше из-за рубцовой ткани. 

Будущее «нейрозерен»

Если допустить, что нейрозерна — оптимальный вариант, то все еще непонятно, как установить их в мозг. В ходе испытания на грызунах исследователи удалили значительную часть черепа крысы — очевидно, такой вариант не подойдет для людей.

Чтобы установить современный имплант, нужно просверлить отверстие в голове пациента. Однако команда из Брауновского университета хочет полностью исключить инвазивные процедуры.

Для этого они работают над методом, который позволит вводить нейрозерна тонкими иглами, которые будут направляться в череп с помощью специального устройства. Чтобы размещать свой мозговой имплант, Neuralink разрабатывает похожего робота, использующего технологию швейной машинки.

Теперь безопасность и долговечность микрочипов нужно проверить на грызунах в сознании — это следующий этап эксперимента. Затем исследователи будут проводить испытания на обезьянах. Как утверждает Нурмикко, в конечном счете установку, которая использовалась на крысах, можно будет расширить до 770 нейрозерен, чтобы покрыть поверхность человеческого мозга.

Расшифровка данных мозга — еще одна трудная задача. Команда из Брауновского университета хочет получать информацию из тысяч — и в дальнейшем сотен тысяч — нейронов.

Все эти мозговые сигналы нужно расшифровать и перевести в команды, которые будут передаваться внешним устройствам, выполняющим действия пользователя. Это потребует гораздо более сложной системы анализа по сравнению с текущей. 

На данном этапе команда Нурмикко пытается еще сильнее уменьшить нейрозерна, чтобы имплантировать их с минимальным воздействием на мозг.

Источник.

Фото на обложке: 80's Child / Shutterstock

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Материалы по теме

  1. 1 Разработан мозговой имплант, возвращающий чувствительность кончиков пальцев
  2. 2 Instagram борется с буллингом, а нейроимплант читает мысли парализованного: технологии добра, которые меняют мир
  3. 3 Ученые создали нейроимплант, которые читает мысли парализованного человека
  4. 4 Российские школьники изобрели имплант для костей
AgroCode Hub
Последние новости, актуальные события и нетворкинг в AgroTech-комьюнити — AgroCode Hub
Присоединяйся!