Нейроинженерия и нейротехнологии

Рецензент: президент Академии медико-технических наук,

доктор медицинских наук, профессор А.Г. Жиляев

Требуется консультация специалиста.

Корректор Анастасия Казакова

Дизaйн обложки Евгения Язвенко

Издательский дом «НейроВита»

© А. С. Брюховецкий, 2022

© М. А. Шурдов, 2022

© «НейроВита», издательский дом, 2022

ISBN 978-5-0055-4202-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Об авторах

Андрей Степанович Брюховецкий – профессор, доктор медицинских наук, ветеран Министерства обороны РФ, полковник медицинской службы в запасе. В настоящее время является генеральным директором Клиники восстановительной интервенционной неврологии и терапии «НейроВита». Врач-невролог высшей категории, вице-президент Международной ассоциации нейровосстановления (International Association of Neurorestoratology), член редколлегии ряда рецензируемых научных журналов: «Гены и клетки», «Journal of Translational Neuroscience and Clinics», «Journal of Neurorestoratology», «Journal Oncology Letter». С 1996 по 2002 г. руководил лабораторией высоких технологий НМИЦ трансплантологии и искусственных органов Министерства здравоохранения РФ. С 2003 по 2013 г. был координатором научной отраслевой программы РАМН «Новые клеточные технологии – медицине». С 2002 по 2006 г. возглавлял кафедру клеточной восстановительной медицины ГОУ ВПО «Российский государственный медицинский университет» им. Н. И. Пирогова. С 2012 по 2015 г. руководитель Центра биомедицинских технологий ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр» ФМБА России. С 2018 по 2020 г. – ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела Центральной клинической больницы РАН. Автор 206 публикаций в рецензируемых российских и международных научных журналах, 10 научных монографий в области регенеративной медицины, неврологии, онкологии на русском языке, 2 монографий на английском языке и 12 глав в разных коллективных зарубежных монографиях; автор 15 патентов РФ, 5 международных заявок PCT и патента США. Меценат; финансировал на собственные деньги и частные инвестиции все свои научные исследования.

E-mail: neurovita-as@mail.ru

Михаил Аркадьевич Шурдов – биолог и биофизик, в 1975 г. закончил Новосибирский государственный университет, получив диплом физика со специализацией «Квантовая оптика и радиофизика», принял предложение остаться стажером-исследователем в том же вузе. С 1975 по 1990 г. прошел все ступени научного работника: стажер-исследователь, инженер, младший научный сотрудник, научный сотрудник. В 1985 г. в Институте биофизики СО АН СССР (г. Красноярск) защитил диссертацию и стал кандидатом биологических наук. В настоящее время крупный предприниматель, председатель Правления и главный акционер группы компаний «Чебоксарский электроаппаратный завод» (ЧЭАЗ), председатель Правления ЗАО Клиника «НейроВита». Автор более 30 научных публикаций и 15 патентов РФ. Меценат, профинансировавщий на собственные средства более 20 научно-исследовательских проектов в электротехнике, электронике, медицине и биологии.

E-mail: neurovita@mail.ru

Сокращения

Вместо предисловия

(рецензия д. м. н., проф. А. Г. Жиляева)

⠀

Последнее десятилетие XX в. было объявлено мировым научным сообществом и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) «декадой головного мозга человека». Эти 10 лет в ушедшем в историю XX в. позволили очень системно и основательно организовать в разных странах мира огромное количество мультицентровых фундаментальных научных и клинических исследований головного мозга человека, стали отправной точкой создания и запуска огромного числа глобальных международных научных нейропроектов в самых разных странах мира. Эти научные исследования были направлены на глубокое и системное изучение работы и функционирования головного мозга человека и понимание информационных и кибернетических принципов его деятельности. Эта работа нейроученых из разных стран и континентов за последнее десятилетие прошлого века принесла колоссальные фундаментальные наработки и результаты и появление живого интереса молодых ученых к нейронаукам по всему миру. Были сделаны удивительные обобщения и умозаключения различных нейроученых о потенциале и информационных возможностях мозга человека и животных. Было показано, что понимание устройства головного мозга может дать научный прорыв в наших научных представлениях о мозге и о человеке в целом. «Понимание человеческого мозга является одной из величайших задач, стоящих перед наукой XXI в. Если мы сможем ответить на этот вызов, то мы можем получить фундаментальное понимание того, что значит быть человеком, разработать новые методы лечения заболеваний головного мозга и построить революционную методологию новых информационных и коммуникационных технологий» (проект The Human Brain Project, 2012).

Читая эти великие мысли европейских ученых, становится понятно, что наши знания о работе столь сложного органа человека, как его мозг, очень поверхностны и значительно устарели. Эти вызовы научному сообществу являются вызовами всему человечеству, и они требуют немедленной реакции на них и осознания глубины и сложности стоящих проблем. Врачи-неврологи и психиатры в настоящее время практически неспособны излечить ни одно из серьезных органических заболеваний и повреждений головного мозга у человека.

Повреждение спинного мозга является практически неразрешимой проблемой для всех неврологических школ в мире. Успехи в современной нейрохирургии, нейрореанимации и нейрореабилитации в спасении жизней людей при целом ряде ранее смертельных нервных болезней и недугов (тяжелая травма мозга, энцефалит, миелит, геморрагический и ишемический инсульты, аневризмы магистральных сосудов головного мозга и т.д.) обернулись армией тяжелых инвалидов с органическим дефектом головного мозга, которым физически невозможно помочь современными методами специализированной и высокотехнологичной неврологической помощи.

Резкое постарение населения в США и Европе привело к увеличению количества больных со слабоумием и болезнью Альцгеймера, число которых может вскоре утроиться – от 4,7 млн в 2012 г. к 13,8 млн к 2050 г. К 2050 г. каждый из 85 человек во всем мире будет страдать болезнью Альцгеймера (Институт здорового старения, США, 2012).

За последние 100 лет количественные показатели эффективности лечения неврологических и психических заболеваний во всем мире практически не изменились, однако расходы на лечение нервных болезней выросли в 200 раз. Согласно отчету Еврокомиссии, расходы на лечение нервных болезней только в странах Евросоюза составляют 80 млрд евро в год (Human Brain Project, 2012).

О необходимости срочного изучения устройства головного мозга и понимания механизмов его функционирования заговорили президенты мировых держав и руководство государственных союзов (Евросоюз, Евразийский союз и т.д.). Нейроученые всего мира признали недостаточность наших фундаментальных знаний о мозге и отсутствие соответствующей теории мозга. Они показали, что реального лечения нервных болезней и травмы мозга во всем мире пока нет и поиск инновационных решений и новых методологических подходов в виде нейроинженерии (neuroengineering) в восстановлении функций мозга во всех странах мира считается одним из самых перспективных и приоритетных направлений мировых исследований и крайне актуален как для военного, так и для гражданского здравоохранения.

Все это привело к тому, что уже в 2008 г. в Швейцарии стартовал один из первых европейских нейропроектов – Blue Brain Project. В 2009 г. был запущен нейропроект SyNAPSE Project по изучению межклеточных синаптических контактов в головном мозге, а уже в 2010 г. в США был открыт Connectomе Project по исследованию существующих связей в головном и спинном мозге. 2011 год ознаменовался запуском уникального проекта по созданию искусственной модели мозга – Spaun. В этом же году Еврокомиссия предложила нейроученым Евросоюза создать свой проект изучения и исследования мозга, и уже в 2012 г. такой мегапроект с финансированием в 1,2 млрд евро был запущен под названием Human Brain Project. В рамках этого проекта были задействованы 300 ведущих специалистов-неврологов, нейроученых и специалистов в области компьютерных технологий и вычислительной техники, 80 научных институтов и специализированных научных учреждений Европы и за ее пределами. Ученые предложили использовать современные компьютерные модели и симуляторы, чтобы сконструировать виртуальный мозг и создать новые лекарственные средства.

США отреагировали на подобный проект собственной научной инициативой стоимостью 3 млрд долл. США и назвали свой проект Brain Initiation Project. В американской инициативе впервые в мире были сформулированы термины и базовые сущности понимания современных нейротехнологий и определены приоритеты работы в области создания интерфейса между мозгом человека и компьютером. В 2013 г. был открыт новый Project BigBrain. Этот проект стал основой интеграции и объединения ученых-нейроанатомов и специалистов IT, которые пытаются понять на основе микронейроанатомических срезов нервной ткани сущность устройства мозга.

Китай запустил в 2015 г. свой проект исследования мозга стоимостью, эквивалентной 10 млрд долл. США, а Япония выделила на подобные научные исследования финансирование, эквивалентное 5 млрд долл. США. В итоге только за десятилетие с 2011 по 2021 г. в нейроисследования инвестирования финансовых средств эквивалентны более чем 15 млрд американских долларов. Ничего подобного ранее в медицине не происходило никогда.

За два десятилетия XXI в. такие современные науки о мозге, как неврология, нейрохирургия, психиатрия, нейропсихология, нейрофизиология, нейроанатомия и другие, объединились в единый конгломерат с современными инженерными дисциплинами и информационными технологиями и стали развиваться столь стремительно и наукоемко, что вышли на передний край всей мировой науки под флагом нейроинженерии и нейротехнологий.

Сегодня сами термины «нейроинженерия» и «нейротехнологии» никого не удивляют и не восхищают. Университеты США готовят дипломированных нейроинженеров, а нейротехнологии отнесены к критическим и двойным технологиям развитых государств мира. Гонка вооружения высокоразвитых государств XX в. сменилась гонкой технологий XXI в., где на первом месте стоят именно нейротехнологии. СМИ растиражировали достижения нейроученых всего мира и особенно пионерские исследования Оборонного агентства США (DARPA) по созданию интерфейсов между мозгом человека и компьютером (нейроинтерфейс).

Сегодня мы ждем от нейроинженерии реальных результатов биотехнологий по созданию «умного дома» для инвалидов; инвалидной коляски, «управляемой силой мысли»; нейропротезов конечностей, управляемых имплантируемыми «нейроинтерфейсами между компьютером и периферическими нервами». Соединение «живого» и «неживого» компонентов нервной ткани головного и спинного мозга человека для создания новых функций поврежденного мозга стало фундаментальной основой этих новых нейроподходов и создаваемых технологий.

Большой интерес современной отечественной науки к вопросам нейроинженерии и нейротехнологий подтверждается тем, что в России с 2015 г. осуществляется большой комплекс проектов под общим названием «Нейронет», представляющий собой национальную технологическую инициативу, в рамках которой предусматривается опережающее развитие фундаментальных и прикладных аспектов нейронаук и нейроинженерных технологий.

Рецензируемая книга очень аккуратно и деликатно вводит читателя в инновационную область современных нейронаук: нейроинженерию и нейротехнологии. Авторы очень критически анализируют состояние проблемы нейроинженерии и нейротехнологий в мире и излагают собственные данные и исследования, которыми они занимаются уже около 30 лет. Многие вещи для меня, человека, который более 30 лет занимается нейронауками, были откровением и вызвали живой интерес. Книга читается легко и просто, излагает очень сложные проблемы современных нейронаук простым и доступным языком. «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает».

Несомненно, в монографии есть ряд очень сложных и дискуссионных вопросов, которые требуют, на мой взгляд эксперта, более детального обсуждения и иллюстраций. Так, например, мне кажется, что нужно представить более подробные данные по функциональным возможностям микроволновой энцефалографии. Хотелось бы увидеть первые опытно-конструкторские образцы этого интересного медицинского оборудования. Крайне важно, что авторы книги представили свою перспективу развития нейроинженерии и нейротехнологий на ближайшее время и на перспективу.

Благодарю авторов за созидательный научный труд и преданность своему делу в отечественных нейронауках. Признателен авторам за очень доступное и понятное написание этой научной книги, которая смогла систематизировать достаточно разрозненные знания и достижения в области нейроинженерии и нейротехнологий по всему миру и показать надежды человечества в этой области.

Надеемся, что молодым нейроученым и клиницистам будет очень интересно ознакомиться с отечественной историей становления нейроинженерии и этапами создания национальных нейротехнологий. Пожелаем доброго пути этой книге и много умных читателей и научных последователей.

Введение

Написать книгу о современной нейроинженерии и перспективных нейротехнологиях мы задумали достаточно давно, т.к. наша команда врачей-неврологов и нейрохирургов, нейробиологов, физиков, инженеров, математиков и программистов уже более 30 лет активно интересовалась и увлеченно занималась в эксперименте на животных и в клинике нервных болезней проблемой реставрации поврежденной нервной ткани и восстановлением нарушенных функций головного и спинного мозга у человека и животных. Уже более 30 лет нами применялись самые передовые для своего времени и для нашей страны биомедицинские и нейробиоинженерные технологии реставрации мозга. На протяжении этих долгих лет нами был реализован в эксперименте и применен в клинике очень широкий спектр современных биомедицинских нейротехнологий, направленных на реконструкцию и восстановление анатомо-морфологической структуры участков поврежденного спинного и головного мозга человека. Для нейрореставрации поврежденного головного и спинного мозга в конце прошлого века (1989—2000) нами применялись трансплантации фетальных клеток и клеток пуповинной крови человека, аутологичных нейральных стволовых и прогениторных клеток, полученных из обонятельной выстилки носа пациента, а также транскраниальная магнитостимуляция мозга и имплантация нейростимуляторов головного и спинного мозга человека (Брюховецкий, 2003; Брюховецкий, 2010; Брюховецкий, Хотимченко, 2018; Брюховецкий и др., 2018). Последние два десятилетия XXI в. мы активно развивали терапевтические нейротехнологии реставрации поврежденного мозга с использованием интратекальных и интравентрикулярных цитотрансфузий аутологичных и гаплоидентичных (близкородственных) гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) костного мозга (более 17 тыс. трансплантаций у 5 тыс. человек), мобилизованных в периферическую кровь гранулоцитарным колониестимулирующим фактором (Г-КСФ). В 2005 и 2006 гг. эта биомедицинская нейротехнология была официально разрешена в Российской Федерации к клиническому применению Минздравом России и Росздравнадзором и была зарегистрирована в реестре новых биомедицинских технологий Минздрава России. Другой нейротехнологией стали наши исследования по интервенционной биоинженерии головного мозга с использованием малоинвазивных, стереотаксических и рентгенохирургических способов реконструкции мозга (более 300 операций на человеке с программной региональной перфузией, стентированием и балонной ангиопластикой, стереотаксической нейротрансплантацией и имплантацией нейростимуляторов) и операций по тканевой инженерии с имплантацией гетерогенного матрикса «СфероГель»ТМ у 104 пациентов с последствиями травм спинного мозга и имплантации биодеградируемых биополимерно-клеточных нейроэндопротезных систем.

Новым направлением нейроинженерии стали наши пионерские исследования начала XXI в. по дистанционной мультиволновой бесконтактной радионейроинженерии. Данная нейротехнология нейрореставрации поврежденного мозга была нами запатентована в 2017 г. и Роспатентом признана как одно из 100 лучших изобретений Российской Федерации в 2017 г. Более 200 человек с органическим поражением головного и спинного мозга успешно прошли лечение с использованием этой нейротехнологии. В этой книге мы целую главу посвятили этой инновационной технологии бесконтактной реставрации поврежденного головного и спинного мозга и надеемся, что многих нейроученых заинтересует наша новая разработка.

Большая часть нейроинженерных операций была проведена нами в прошлом веке еще с применением фетальных клеточных систем и биоинженерных работ по интервенционной неврологии и функциональной нейрохирургии. Они были выполнены нами на базе 32 Центрального военно-морского клинического госпиталя Министерства обороны России в рамках разработки и создания программ лечения боевой травмы мозга у военнослужащих. Часть научно-исследовательских работ была выполнена на базе НМИЦ трансплантологииНМИЦ ТиО Минздрава России и ГУ НИИ социальной и судебной психиатрии им В. П. Сербского в рамках межведомственной программы «Нейротрансплантация и клеточная трансплантация при травме головного и спинного мозга и опорно-двигательного аппарата» под руководством директора этого института акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. Валерия Ивановича Шумакова.

Однако самая значительная часть исследований по реставрационной нейроинженерии была выполнена нами на базе частного высокотехнологического госпиталя ЗАО Клиника «НейроВита» в рамках отраслевой научно-исследовательской программы «Новые клеточные технологии – медицине» Российской академии медицинских наук (РАМН). Научными руководителями этих больших проектов были ведущие ученые страны – директор ГУ НМИЦ трансплантологииНМИЦ ТиО акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. В.И. Шумаков и ректор Российского государственного медицинского университета (РГМУ) им. Н. И. Пирогова акад. РАМН, проф., д.м. н. В.Н. Ярыгин. Исследования в рамках этой программы преимущественно выполнялись и финансировались силами Министерства обороны России, а также за счет средств Минздрава России и Российского государственного медицинского университета (РГМУ). Все работы по нейробиоинженерии проходили под постоянным контролем и надзором ученых советов и этических комитетов ГУ НИИ ТиО и РГМУ, а в дальнейшем – преимущественно на средства, заработанные клиникой «НейроВита», и спонсорские частные средства меценатов, физических и юридических лиц.

Из вышесказанного очевидно, что экспериментальными и клиническими нейроинженерными технологиями в восстановлении повреждений головного и спинного мозга человека и животных наша команда занимается больше 30 лет. Однако сам термин «нейроинженерия» появился в научной литературе сравнительно недавно и преимущественно связан с появлением в начале второго десятилетия XXI в. учебных и научных программ во многих американских университетах по курсу «Нейроинженерия». До этого времени все научные и прикладные исследования в области восстановления поврежденного головного и спинного мозга, а также методы инженерного восстановления повреждений периферической нервной системы шли под флагом «реконструктивно-восстановительной нейрохирургии», «нейротрансплантации», «тканевой инженерии мозга», «биоинженерии мозга», «функциональной нейрохирургии» и т. д. В Российской академии наук (РАН) более 40 лет даже существовало такое специализированное научное направление исследований, как биоинженерия, и был организован целый академический научно-исследовательский институт, занимающийся фундаментальными проблемами биоинженерии. При этом в Российской академии наук под биоинженерией преимущественно понимались генная инженерия, пептидная инженерия, молекулярная инженерия новых лекарственных препаратов и другие виды инженерных исследований, преимущественно в биологии, сельском хозяйстве и в меньшей мере в медицине. В РАН понятие нейроинженерии в структуре биоинженерии не использовалось и не применялось в принципе. Однако уже в конце прошлого века по всему миру отдельные исследователи и исследовательские научные коллективы стали применять термины «тканевая инженерия» (Vacanty et al., 1998), «нейробиоинженерия» и «нейротехнологии» (Брюховецкий и др., 2000; Брюховецкий, 2003; Брюховецкий и др., 2018) или «нейрореставрология» (Raisman, 2006, 2015; Honyung et al., 2006; Honyung, 2018) для обозначения результатов реконструкции и реставрации нервной ткани поврежденного головного спинного мозга млекопитающих и человека.

Современное представление термина «нейроинженерия» и новое научное содержание этого термина относят к моменту появления первого научного журнала в этой области нейронаук в США. Первые журналы, специализирующиеся на этом направлении, такие как The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, появились в 2004 г. Международные конференции при поддержке IEEE начали проходить с 2003 г. На одной из них, которая проходила с 29 апреля по 2 мая 2009 г. в Анталии (Турция), под брендом 4th Conference on Neural Engineering были сформулированы основные тезисы и глобальное научное содержание этой новой мировой научной дисциплины.

Поэтому как самостоятельная научная дисциплина нейроинженерия существует сравнительно недавно, а имеющаяся информация и исследования в этой области нейронаук носят достаточно ограниченный характер. Но ситуация в этой инновационной области нейронаук очень быстро меняется. Другими словами, только за последние 10 лет в отечественной и зарубежной научной литературе сформировалось новое представление о научном и клиническом содержании термина «нейроинженерия» который включает в себя новое научное направление в нейронауках, основанное на сочетании «живых» и «неживых», искусственных инженерных компонентов нервной ткани головного и спинного мозга человека для восстановления его нарушенных функций. Однако термин «нейроинженерия» и сегодня постоянно меняется и трансформируется. Сегодня в мировой нейронауке нет единого и четкого научного и научно-практического содержания этого термина, и научные споры о сущности и содержании термина «нейроинженерия» продолжаются.

Некоторые из ведущих мировых ученых-нейрохирургов предполагают, что под нейроинженерией нужно понимать только сугубо биоинженерные и тканево-инженерные хирургические подходы, осуществляемые как в фундаментальной науке, так и в клинике нервных болезней, связанные исключительно с нейрохирургическими операциями по реконструктивно-восстановительной реставрации нервной ткани головного и спинного мозга (Honung et al., 2017; Lin et al., 2018). То есть они видят нейроинженерию как исключительно нейрохирургический инструментарий и технологический подраздел новой нейронауки под названием «нейрореставрология» (Honung et al., 2017), а не как самостоятельную научную дисциплину.

Другая точка зрения заключается в том, что под нейроинженерией другие современные нейроученые понимают более широкий круг научных и клинических исследований, целью которых является как использование «живых» компонентов нервной ткани (нейронов, астроцитов, олигодендроцитов, микроглиальных клеток и т.д.), так и применение искусственных, т.е. «неживых» компонентов (гетерогенные матриксы и биополимерные гели, искусственные хромосомы нервных клеток, искусственные митохондрии нейронов и клеток нейроглии, искусственные нервные волокна, чипы и имплантируемые микро- и наноэлектроды, управляемые электронные устройства и т.д.) для восстановления утраченных или нарушенных функций нервной ткани (Брюховецкий, Хотимченко, 2018).

Есть еще одно, достаточно ортодоксальное мнение о том, что под «нейроинженерией» следует понимать исключительно нейроматематику и нейрокомпьютерные технологии, а все другие технологии должны называться нейробиоинженерией (Галушкин, 2013). Наверное, правильнее было бы в этой книге для врачей и биологов говорить о «биомедицинской нейроинженерии», а не о техническом и технологическом аспектах этой сложной и многоуровневой проблемы. Но мы попытаемся поговорить обо всех направлениях этой современной науки под таким громким названием, как нейроинженерия, и об основных нейротехнологиях, существующих в мире в настоящее время.