Протезирование мозга

Мы привыкли к тому, что бывают протезы конечностей, суставов или, скажем, глаз. Но мозг?! Если в результате травмы или болезни повреждаются отдельные его участки, то человек, как правило, больше не может вести полноценную жизнь. У него появляются сильные головные боли, проблемы с памятью и мышлением, а порой доходит до глубокой инвалидности. Операция не всегда возможна, а консервативное лечение зачастую не приносит должных эффектов.

Недавно специалисты кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины Нижегородского государственного университета имени Н.И.Лобачевского (ННГУ) предложили технологию нейропротезирования, которая позволит «заменить» пострадавшие зоны мозга.

Попытки создать искусственные нейроны уже предпринимались ранее. Так, сотрудники Университета Линчепинга (LiU) (Швеция) разработали синтетический нейрон, почти точно имитирующий характеристики биологических нервных клеток. В качестве эксперимента его интегрировали в живое плотоядное растение. Однако, хотя с помощью клетки удавалось управлять открытием и закрытием «пасти» растения, лишь две из ее характеристик соответствовали параметрам настоящей биологической клетки.

Группа органической наноэлектроники в Лаборатории органической электроники (LOE) во главе с доцентом Симоной Фабиано разработала новый вариант искусственной нервной клетки – органический электрохимический нейрон (c-OECN), точно имитирующий 15 из 20 нейронных характеристик естественных биологических процессов.

В отличие от традиционных искусственных нейронов, изготовленных из кремния, c-OECN используют для коммуникации ионы, подобно реальным биологическим нервным клеткам.

Ионы применяются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа. Это приводит к тому, что внутри устройства происходят скачки напряжения. Ток можно увеличивать или уменьшать по почти идеальной колоколообразной кривой, напоминающей график колебаний, соответствующих активации и инактивации ионных каналов натрия.

В сотрудничестве с Каролинским институтом (KI) Фабиано и ее команда провели серию экспериментов, в ходе которых c-OECN подключили к блуждающему нерву мышей. В результате частота их сердечных сокращений повысилась на 4,5%.

Основное преимущество органических полупроводников состоит в том, что они являются гибкими и биосовместимыми. Что же касается применения разработки, то тут важно основное свойство нового вида синтетических нейронов – стимуляция блуждающего нерва, играющего ключевую роль в иммунной системе организма и обмене веществ. А это открывает существенные перспективы для лечения различных недугов. Возможно, новинка сумеет помочь тем, кто страдает неврологическими заболеваниями вплоть до паралича.

Но разработка нижегородцев оказалась куда круче. Исследования, кстати, проводились в рамках федеральной программы «Приоритет-2030».

Еще в 2020 году специалисты из ННГУ совместно с коллегами из других российских городов, а также Китая, Италии и США разработали концепцию так называемого мозга на чипе. В основе ее лежали решения по созданию искусственных нейросетей на стыке нейронных клеточных и микрофлюидных технологий. Причем предполагалось, что взаимодействие между всеми подсистемами будет осуществляться на платформе одного-единственного мемристивного нейрогибридного чипа и управляться при помощи встроенных аналоговых цифровых схем.

Как рассказал заведующий лабораторией физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ Алексей Михайлов, микроэлектронные системы биосовместимы и потому получат самый широкий спектр применения. Например, их можно будет использовать в компактных биосенсорах, робототехнике нового поколения, для различных технологий искусственного интеллекта и персонализированной медицины. Но, пожалуй, самое важное – это прорыв в сфере нейропротезирования.

Мемристоры, созданные учеными из ННГУ и их коллегами, по словам Алексея Михайлова, имеют уникальное свойство – они обладают нелинейной резистивной памятью, что позволяет ввести их в аналоговые системы обработки информации, в том числе с нейроноподобной структурой. Кроме того, они могут одновременно регистрировать, накапливать и хранить информацию.

Суть последней разработки в том, что живые нейроны «соединяются» с искусственными. Ученым удалось определить параметры, при которых биологическая нейронная сеть и источник нейроноподобных сигналов начинают функционировать как единое целое. При этом клетки мозга способны управлять активностью искусственных нейронов.

Эксперименты проводились на лабораторных мышах. Исследователи взяли фрагмент гиппокампа мыши (гиппокампом называется участок головного мозга, отвечающий за память, обучение и пространственную ориентацию) и подключили к нему электрический генератор, воспроизводящий сигналы, имитирующие активность мозга. Генератор стимулировал биологические клетки, и те «сигнализировали» в ответ. Таким образом электросхема становилась «придатком» гиппокампа.

По словам консультанта проекта профессора Мадридского политехнического университета Александра Писарчика, это настоящий научный прорыв: «Новая технология открывает широкие возможности в области нейроморфных приложений – от разработки «умных» и адаптивных роботов до создания революционных медицинских устройств для лечения неврологических заболеваний».

«Замещение поврежденного участка гиппокампа электронными нейронами может не только восстановить активность мозга при травмах, но и улучшить память, стимулировать способность к обучению, – считает руководитель проекта, доцент кафедры нейротехнологий университета Лобачевского Альбина Лебедева. – Если в эксперименте удастся подавить аномальные вспышки активности нейронов гиппокампа с помощью генераторов импульсов, это откроет путь к созданию нейропротезов для лечения больных эпилепсией».