Авторы пока не могут однозначно объяснить, почему наилучший рост нейронов наблюдается на пленке с определенной (низкой) проводимостью. Похожие результаты для другого типа клеток, культивированных на подложках из полипиррола с разной проводимостью, были ранее объяснены модификацией ионного транспорта через клеточную мембрану. Возможны и другие механизмы. Тем не менее сделан важный вывод о влиянии электропроводности подложки на развитие нейронов.
Рис. 8. Проф. нейронаук Miguel Nicolelis из Duke School of Medicine (Durham, US), директор центра нейроинженерии
Ученые из лаборатории проф. M. Nicolelis (рис. 8) Университета Дюка (США, Северная Каролина) утверждают, что «разработали алгоритм, позволяющий переводить мысли о движении руки в компьютерный приказ». Одиннадцати пациентам, страдающим болезнью Паркинсона, было вживлено по 32 электрода толщиною с человеческий волос в область головного мозга, якобы отвечающую за управление конечностями. Электроды по беспроводной системе подключались к ПК, на котором больные играли в компьютерные игры. В результате эксперимента ученые считают, что им удалось расшифровать нейронный код, с помощью которого мозг управляет телом. Теперь ученые утверждают, что методика вживления в мозг электронных чипов, усовершенствованная должным образом, через несколько лет позволит людям с нарушенной моторикой мысленно управлять протезами. Был разработан экзоскелет, якобы управляемый мыслями спинальника.
Целью проекта Walk Again Project
ТМ
TM
TM
Рис. 9. Фотография первой версии экзоскелета, управляемого мыслью инвалида, созданной в рамках проекта Walk Again Project, на церемонии открытия чемпионата мира по футболу в июне 2014 г.
За прошедшее десятилетие нейробиологи Центра нейроинженерии Университета Дьюка превратили взаимодействие между мозгом и механизмами (brain-machine interface BMI) в одну из самых захватывающих и многообещающих областей фундаментальных и прикладных исследований в современной нейробиологии (цитируется из материалов проекта Walk Again
TM
Проект Walk Again
TM
TM
Вот пример того, как позиционируют свои исследования разработчики современных нейроинтерфейсов: «Если вы думаете, что управление техникой силой мысли возможно лишь в фантастических фильмах, то новейшее изобретение нейроинженеров из американского Брауновского университета сможет вас удивить. Ученые уже воплотили мечту многих людей о том, что можно включить компьютер, микроволновку, стиральную машину и другую технику силой мысли. Они создали устройство, которое считывает и передает сигналы мозга. Такое устройство призвано упростить жизнь тем людям, передвижение которых ограничено». Эта выдержка из СМИ о нейроинженерах из Эрморского университета Атланты (США), которые разработали беспроводной машинно-мозговой интерфейс, с помощью которого в будущем можно будет создать совершенно уникальные протезы, управляемые силой мысли. В Эрморском университете Атланты научили макак-резус мысленно управлять роботизированной рукой. Для этого в область коры головного мозга, отвечающую за движение, было вживлено по 320 электродов. Управляя джойстиком, обезьяны научились шевелить искусственной рукой. А ученые получили возможность изучить потоки электрической энергии, преобразованной из сигналов обезьяньих нейронов. В конце концов животные усвоили, что для того, чтобы двигать конечностями, достаточно подумать об этом. Оказалось, что имплантаты в мозге макак служили им до 3 лет. По-видимому, дальше в мозге формировались рубцово-кистозные изменения и перерождение нервной ткани, и имплантаты было необходимо извлекать из мозга животных.
Из инвазивных нейротехнологий нейроинженерии заслуживают наибольшего внимания еще две. Одна их них это также нанотехнология для установления интерфейса «мозг компьютер». Dongjin Seo, Jose M. Carmena, Jan M. Rabaey, Elad Alon, and Michel M. Maharbiz из Департамента электроинженерии и компьютерных наук Helen Wills Neuroscience Institute, University of California, Berkeley, CA в 2013 г. опубликовали статью Neural Dust: An Ultrasonic, Low Power Solution for Chronic Brain Machine Interfaces, что в переводе на русский означает «Нейронная пыль: ультразвуковое решение с низким энергопотреблением для хронических интерфейсов машин с мозгом», в которой они предложили схемы наносистемы нейронной пыли, показывающие расположение ультразвукового запрашивающего устройства под черепом и воспринимающие узлы нервной пыли, рассредоточенные по всему мозгу (рис. 10). Авторы считают, что можно предположить, что нейронная пыль с ультрагибким полиимидным «хвостом», заполненным участками записи, обходит пределы достижимого дифференциального сигнала между двумя электродами, размещенными на следе нейронной пыли с параметрами 500 мкВт, 40 пВт.
Еще одна уникальная имплантируемая система BMI «BioBolt», составляющая в диаметре 18 мм, была разработана в Мичиганском университете. Она «вкручивается» в голову, но так, чтобы не проникнуть в кору головного мозга, а лишь легонько касаться ее пленочной микросхемой величиной с ноготь (рис. 11). При этом корпус прибора скрывается под кожей во избежание инфекции. Имплантируемая американская система BioBolt действует подобно микрофону, «прослушивая» возбужденные нейроны и ассоциируя их активность с командами мозга. Эти сигналы усиливаются, фильтруются и оцифровываются. В результате носитель такого чипа может «силой мысли» совершать несложные действия на компьютере. Значительным достижением исследователей стало сокращение энергопотребления устройства за счет того, что кожа головы была использована в качестве проводника при передаче сигнала. В миниатюрных имплантатах именно на радиотрансляцию приходится львиная доля затрат энергии.
Другим направлением создания технологий взаимодействия «мозг компьютер» стали неинвазивные транскраниальные технологии съема информации о биоэлектрической активности головного мозга человека путем современного электроэнцефалографического оборудования (ЭЭГ). Сегодня создано очень большое количество неинвазивных устройств для подобных нейроинтерфейсов.
Рис. 10. Схема системы нейронной пыли, показывающая расположение ультразвукового запрашивающего устройства под черепом и воспринимающие узлы нервной пыли, рассредоточенные по всему мозгу:
а устройство над костями черепа и субдурально на мягкой мозговой оболочке b нейронная пыль с ультрагибким полиамидным «хвостом»:
с модель пьезоэлектрического преобразователя нейронной пыли KLM, показывающая 1 электрический порт и 2 механических порта. Связь между доменами моделируется с помощью идеального электромеханического трансформатора
Точки практического приложения технологии нейроинтерфейса уже научно-клинически определены и достаточно понятны. Известно достаточно большое количество биологических сигналов, которые можно снять с человека (рис. 13). Существует большое количество современных бионических протезов конечностей, роботизированных устройств, автоматизированных инвалидных колясок, экзоскелетов и других приспособлений для инвалидов, но управление этими вспомогательными устройствами для инвалидов крайне затруднено или абсолютно невозможно из-за отсутствия реального взаимодействия между мозгом и техническим устройством.