Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.

---

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Нейротехнологии — совокупность современных методов, позволяющих лечить заболевания мозга и расширять его способности [1]. Эта область сформировалась около 20 лет назад, когда появилась идея преобразовывать электрические сигналы мозга в цифровые данные [2]. Последние использовались как команды для управления внешними приборами — нейрокомпьютерными интерфейсами (нейроинтерфейсами) [3].

Нейроинтерфейсы — это устройства приема и передачи сигналов между нервной системой организма (мозгом) и электронным устройством (компьютером). Все знают, что головной и спинной мозг состоят из нейронов. Каждый из них способен реагировать на внешние стимулы за счет изменения мембранного потенциала. Когда его значение довольно велико, чтобы преодолеть порог возбуждения [4], [5], нейрон генерирует потенциал действия, или спайк (от англ. spike — шип) [6].

Нейроинтерфейсы способны записывать эти сигналы и переводить их на понятный для компьютера язык — например, в цифровой код 110010001110110101, который несет в себе информацию.

Зачем они нужны?

Нейроинтерфейсы используют по нескольким причинам.

Во-первых, они помогают парализованным людям поддерживать социальный контакт с близкими. Например, мозговой имплант Калифорнийского университета позволил немым людям переводить их мысли в речь (видео 1) [7]. Для понимания того, как это работает, представьте, что, когда ваш друг говорит слова «Война» и «Мир», у него активируются две группы нейронов (В и М соответственно). И вы вдруг решаете записать его электрические импульсы и перевести их на понятный для компьютера язык. В нашем случае 1 — активность определенного нейрона, а 0 — ее отсутствие. И предположим, группа В имеет код 1001, а группа М — 0110. В этом случае вы сможете понять, какое слово пытается сказать ваш друг до его произношения.

Во-вторых, каждый нейроинтерфейс способен проводить ток за счет нескольких электродов и искусственно возбуждать (стимулировать) поврежденные зоны мозга. Недавно этот подход начали использовать для лечения таких расстройств нервной системы как болезнь Паркинсона или паралич. Введение электростимуляции мозга в практику в 2016 году показало высокую эффективность и безопасность в использовании [8]. Давайте же разберемся, за счет чего это было достигнуто.

Как известно, при болезни Паркинсона «неисправна» черная субстанция (отвечает за движение глаз и пальцев) [7], а при параличе — часть спинного мозга, то есть нарушается цепь активации двигательных нейронов. Искусственная электростимуляция помогает временно восполнить работу поврежденных клеток, что позволяет людям выполнять физические упражнения. В результате занятий высвобождается множество нейротрофических факторов, способствующих делению и росту новых нейронов [9], которые заменяют старые. За счет этого происходит восстановление и лечение таких заболеваний.

И кто же их изобретает?

Все новые разработки в нейротехнологии требуют не только больших вложений, но и междисциплинарных знаний из области робототехники, программирования, нейробиологии и т.д. По этой причине очень сложно создать сплоченную и сильную команду. Одной из компаний, которой удалось это сделать, является Neuralink. Это американский нейротехнологический стартап, основанный Илоном Маском в 2016 году с общим финансированием более 150 миллионов долларов. Конечно, такой «гигант» не возник на пустом месте и имеет большое наследство в виде научных исследований.

Все началось еще с 1957 года, когда был создан кохлеарный имплант [10]. Сейчас им пользуются более 300 000 человек для восстановления слуха. Еще один важный этап — создание устройства от компании Cyberkinetic, позволяющего парализованным людям писать сообщения и управлять курсором мыши «силой мысли» (видео 2) [11].

Как и Калифорнийский университет и Cyberkinetic, Neuralink разрабатывает имплантируемые нейроинтерфейсы. Однако характеристики их продукта на порядки выше ближайших конкурентов. Давайте перечислим основные из них:

1. Маленькие размеры. Чип для людей имеет размер 4×5 мм.
2. Большое число электродов. Neuralink вживила крысам более 3000 электродов. Раньше использовали менее 256.
3. Высокая биосовместимость. Особое полимерное покрытие похоже по составу на мозговую ткань.
4. Безопасность. Робот аккуратно вживляет «нити».
5. Долговечность. Высокая герметичность устройства.

Как работает Neuralink?

Основная идея компании — научиться имплантировать устройства парализованным людям для управления компьютерной мышью или клавиатурой. Проблема в том, что сейчас такие приборы очень громоздки и неудобны в использовании. Neuralink же хочет уменьшить размеры и увеличить продолжительность работы устройства. Другой серьезной задачей является лечение травм спинного или головного мозга путем электростимуляции. Это очень важно, потому что только парализованных людей ежегодно становится на 375 тысяч больше [12]. Причем наиболее сложной задачей в терапии этих заболеваний является установка электродов, ведь обычно это неточный процесс, да и размер проводов довольно велик. Компания же придумала аккуратного робота, вживляющего электроды с наименьшим повреждением сосудов мозга.

Для этого команда разработала очень тонкие «нити». Ширина каждой из них составляет 5–50 мкм, что в три раза тоньше человеческого волоса и сопоставимо с размером нейрона. Такая компактность обеспечивает минимальное повреждение ткани. Сами «нити» несут на себе по 32 электрода, каждый из которых способен записывать электрические сигналы с единичных нейронов (рис. 1). Стоит отметить, что эти провода сделаны из биосовместимого материала, помогающего избежать всевозможных воспалений и иммунных атак, которые очень опасны для мозга (рис. 2).

Для вживления «нитей» в мозг компания создала сложного нейрохирургического робота (рис. 3), который способен вставлять шесть нитей в минуту или 6×32=192 электрода. Его основная особенность — это автономный режим, который позволяет отслеживать малейшие смещения ткани мозга из-за дыхания и делать точные движения (рис. 4). При желании хирург может сделать микрорегулировку, чтобы повысить точность устройства. Такой инструмент вживляет «нити» с точностью до микрон, что снижает риск повреждения сосудов мозга у пациента. Показано, что робот успешно устанавливает 40 из 44 проводов (более 90%) [13]. Процесс вживления «нитей» можно посмотреть на видео 3.

Казалось бы, электроды на месте, и дело уже сделано, но тут наступает один из ключевых этапов работы — передача и запись активности мозга. Этот процесс основывается на улавливании сигналов от ближайших нейронов и их переносе на один из чипов, на каждом из которых имеется множество аналоговых пикселей (рис. 5), усиливающих и фильтрующих нейронные импульсы. Далее сигналы преобразуются в цифровой код. В конце концов, биты информации записываются на устройство [14], имеющее суммарно более 3000 электродов (рис. 6). Это позволяет в реальном времени записать очень точную информацию с 1000 нейронов и проанализировать ее [15].

Результаты

Ученые уже сделали 19 операций на лабораторных крысах, и в 87% случаях «нити» были успешно установлены (рис. 7). Длительность каждой операции составила около 45 минут.

По словам Илона Маска, сенсор протестировали и на обезьяне, которая смогла управлять курсором компьютера. Однако команда говорит, что результаты этого исследования опубликуют позже.

А как же люди?

До этого мы говорили о проводном устройстве с портом USB-C, но в будущем команда планирует использовать беспроводное соединение. Для этого она разработала очень маленький и мощный чип N1 (рис. 8) [16]. По задумке компании, четыре таких сенсора будут установлены в мозг парализованного человека (суммарно 4096 электродов), причем три из них будут расположены в моторной коре и один — в соматосенсорной (отвечает за восприятие прикосновений и температуры) [16]. Вся эта система не только позволит «считывать мысли», но и даст обратную связь в виде ощущений из внешней среды. Конечно, установка этой техники выглядит пугающе — хирурги со скальпелем вставляют вам какие-то чипы. Однако в будущем планируется использовать лазер, чтобы сделать процесс более быстрым и безболезненным. Во многом такой метод будет похож на лазерную коррекцию зрения.

Сами чипы будут соединяться очень тонкими нитями с передатчиком, находящимся за ухом. Он сыграет роль промежуточного звена между внешним устройством (телефоном, компьютером) и мозгом (рис. 9). При этом команда создаст обучающее приложение Neuralink для управления телефоном, курсором мыши и клавиатурой (рис. 10). Это сильно облегчит приспособление пользователей к устройству.

Как сказал Илон Маск на презентации, первые испытания на людях планируются на конец 2020 года. Однако у компании имеется только одна научная статья на Preprint без рецензирования, поэтому говорить о результате таких скорых клинических испытаний еще рано.

Связь с искусственным интеллектом

Сейчас искусственный интеллект (ИИ) [17] стремительно развивается, и ведутся жаркие споры о его возможной опасности в будущем. По одному из сценариев, ученые смогут создать технику, превосходящую их как по физической силе, так и по интеллекту. Если эта машина выйдет из под контроля, она начнет настолько быстро улучшаться, что люди останутся позади. Поэтому многие считают, что нужно готовиться к худшему исходу уже сейчас. Так же считает и Маск, который планирует использовать свое устройство в будущем для создания «гибрида человек—ИИ». По его мнению, это будет необходимо в ближайшее время, чтобы хоть как-то конкурировать с продвинутыми технологиями. В идеале это будет интерфейс, позволяющий людям «силой мысли» делать запросы в интернет и сразу же получать на них ответы. Сейчас очень сложно говорить о примерных сроках изобретения этой технологии и делать очень оптимистичные выводы, ведь пока у Neuralink довольно мало доказательств безопасности и надежности их устройства для человека.

Заключение

Нейроинтерфейсы — это новые технологии, ведущие нас к лучшему будущему! Уже сейчас они лечат такие недуги как эпилепсия [18], [19], болезнь Паркинсона [20–22] и паралич [23]. Кроме того, эти устройства являются новым инструментом исследования в нейробиологии, потому что они несут огромные потоки данных из мозга. Сам процесс чем-то напоминает работу по расшифровке генома человека. Мы читаем информацию, записываем ее на носитель и анализируем, только вместо секвенатора ДНК у нас чип с электродами, считывающий активность клеток мозга. К счастью, люди уже сделали большие шаги в понимании «языка» нейронов для управления курсором, роботизированными конечностями и синтезатором речи только силой мысли [24–26], причем используя не более 256 электродов. А теперь представьте, что у нас их около 4000? Сможем ли мы общаться с помощью мыслей или вступить в «симбиоз» с искусственным интеллектом? К чему это нас приведет? Я надеюсь, что ответы на эти вопросы мы узнаем в XXI столетии.

Литература

1. Oliver Müller, Stefan Rotter. (2017). Neurotechnology: Current Developments and Ethical Issues. Front. Syst. Neurosci.. 11;
2. «Википедия»: Нейротехнологии;
3. Яковлева М.С. и Кукарцев В.В. (2014). Нейроинтерфейсы: понятие, направления и проблемы развития. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики». 1, 401–402;
4. Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность;
5. Формирование мембранного потенциала покоя;
6. Что особенного в мозге человека?;
7. Gopala K. Anumanchipalli, Josh Chartier, Edward F. Chang. (2019). Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature. 568, 493-498;
8. John-Stuart Brittain, Hayriye Cagnan. (2018). Recent Trends in the Use of Electrical Neuromodulation in Parkinson’s Disease. Curr Behav Neurosci Rep. 5, 170-178;
9. K T Ragnarsson. (2008). Functional electrical stimulation after spinal cord injury: current use, therapeutic effects and future directions. Spinal Cord. 46, 255-274;
10. Поймать звук: от молекул до импланта, слышащего свет;
11. «Википедия»: BrainGate;
12. Баринов А.Н. и Кондаков Е.Н. (2010). Клинико-статистическая характеристика острой позвоночно-спинномозговой травмы. «Хирургия позвоночника». 4, 15–18;
13. Elon Musk, Neuralink An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels — Cold Spring Harbor Laboratory;
14. Киборги сегодня: нейрокомпьютерные технологии становятся неотъемлемой частью нашей жизни;
15. Regalado A. (2019). What’s new and what isn’t about Elon Musk’s brain-computer interface. MIT technology review;
16. Wiggers K. (2019). Neuralink’s tech embeds tiny wires in the brain to read electrical pulses. VentureBeat;
17. От живого мозга к искусственному интеллекту;
18. Tara L. Skarpaas, Beata Jarosiewicz, Martha J. Morrell. (2019). Brain-responsive neurostimulation for epilepsy (RNS® System). Epilepsy Research. 153, 68-70;
19. Эпилепсия, методы ее лечения и роль вальпроевой кислоты в терапии заболевания;
20. S.J. Groiss, L. Wojtecki, M. Südmeyer, A. Schnitzler. (2009). Review: Deep brain stimulation in Parkinson’s disease. Ther Adv Neurol Disord. 2, 379-391;
21. Дофаминовые болезни;
22. Болезнь Паркинсона: что изучать? как изучать?;
23. Chester H. Ho, Ronald J. Triolo, Anastasia L. Elias, Kevin L. Kilgore, Anthony F. DiMarco, et. al.. (2014). Functional Electrical Stimulation and Spinal Cord Injury. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 25, 631-654;
24. Leigh R. Hochberg, Mijail D. Serruya, Gerhard M. Friehs, Jon A. Mukand, Maryam Saleh, et. al.. (2006). Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442, 164-171;
25. Wei Wang, Jennifer L. Collinger, Alan D. Degenhart, Elizabeth C. Tyler-Kabara, Andrew B. Schwartz, et. al.. (2013). An Electrocorticographic Brain Interface in an Individual with Tetraplegia. PLoS ONE. 8, e55344;
26. T. Aflalo, S. Kellis, C. Klaes, B. Lee, Y. Shi, et. al.. (2015). Decoding motor imagery from the posterior parietal cortex of a tetraplegic human. Science. 348, 906-910;
27. Хижняк Н. (2019). Компания Илона Маска Neuralink показала, как человек сможет управлять компьютерами силой мысли. Hi-news.ru.