Нейроинженерия и нейротехнологии

Журнал «Сучасна освіта» №4 (77) от 2011 г. называет наступившее время «эрой технарей». Он показал, что время, когда самой популярной профессией разных мастей был управленец или менеджер, уходит в прошлое. Тренд на модернизацию всех отраслей промышленности ускоряет наступление «эры инжиниринга» (инжиниринг – комплекс инженерно-консультационных услуг коммерческого характера по подготовке и обеспечению непосредственно процесса производства). Сегодня действительно возникают новые профессии на стыке наук, требующие серьезных профессиональных знаний в различных областях наук о жизни. Они будут особенно полезны той категории наших читателей и молодых ученых, кто испытывает интерес к нескольким областям знаний и не может сделать окончательный выбор в пользу одной из них. Может быть, именно описываемые специальности помогут им реализовать свой потенциал в полной мере. Одна из таких специальностей будущего – это профессия нейроинженера.

Современные нейроинженеры подходят к изучению человеческого мозга с практических, даже правильнее сказать, с технических позиций: они изучают прежде всего то, как кодируется и передается информация в различных отделах мозга, отвечающих за сенсорное и моторное восприятие, как эта информация искажается при патологических изменениях в мозге и как ею можно манипулировать искусственным образом – при помощи разных информационных способов, техник и микроскопических механизмов. Например, ученым из Массачусетского технологического института удалось научиться программировать мозг вспышками света через мозговой имплантат-светодиод. Предполагается, что таким образом можно будет лечить самые тяжелые заболевания – от болезни Паркинсона до клинических депрессий. Особенные усилия направлены на изучение того, как функционирует зрение.

Итак, название следующей новомодной специализации и профессии будущего – нейроинженер – говорит само за себя. Эта специальность совместит в себе биологические основы нейронаук, технической мысли ученых точных наук и завершится созданием новых технических устройств нейроуправления и нейрореставрации. «Зачем изобретать велосипед, – скажете вы, – Создатель ведь давно обо всем позаботился». Однако другая народная мудрость гласит: «Изобретать велосипед полезно – ведь попутно можно изобрести что-то еще!» Именно этим лозунгом и руководствуется мировая нейроинженерия. Специалисты в этой области изучают возможность кодировки и передачи информации в определенных отделах головного мозга и между ними и придумывают разные механизмы и способы для манипуляции и биоуправления этим сложным процессом. Считается, что таким образом людей можно будет лечить от многих тяжелых заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, клиническая депрессия, болезнь Альцгеймера. Специалистов по нейроинженерии в нашей стране пока не готовят, поэтому обучаться придется в Америке и Канаде.

Нейроинженерия – молодая, но невероятно быстро развивающаяся отрасль высокотехнологичной медицины. Как мы уже отмечали выше, первый журнал, посвященный исключительно нейроинженерии, появился только в 2004-м и тогда же была собрана первая международная конференция, но уже сегодня, в 2021 г., нейроинженеров готовят во многих университетах США. Средняя ожидаемая зарплата нейроинженера – около 200 тыс. долл. в год. Еще популярнее может стать профессия нейрофизиолога или, правильнее сказать, нейротехнолога, хотя она ближе к косметологии и индустрии красоты. Здесь речь идет не о враче функциональной диагностики, занимающемся клинической нейрофизиологией и постоянным снятием и расшифровкой электроэнцефалограммы (ЭЭГ) или электронейромиограммы (ЭНМГ) у пациентов, а о специалисте-нейроученом, который способен понять физиологию и технические условия работы различных отделов ЦНС человека и управлять ими через систему информационных кодов и информационного картирования различных информационных уровней нервной ткани человека. То есть мы говорим о профессионале, способном к снятию геномной и постгеномной информации (транскриптомики, протеомики, секретомики, метаболомики и т.д.), регистрации и регуляции специализированной биофизической информации от различных участков нервной ткани головного и спинного мозга и способном ее при необходимости перепрограммировать и перенаправить в нужную сторону через систему электронных микрочипов, нанотрубок или нейропротезов. Это будет высший пилотаж нейрофизиологии и нейробиоуправления функциями мозга с использованием нейроинженерных программных средств и инструментов.

Другим направлением подготовки клинических нейроинженеров станут врачи-нейрохирурги, обладающие техническими знаниями и технологическими навыками имплантации электронных устройств и микрочипов в зоны повреждения головного и спинного мозга человека и способные восстанавливать проведение нервного импульса между «живыми» и «неживыми» функциональными элементами и структурами нервной ткани без потери качества проводимого нервного импульса. Для этого нужно иметь новое фундаментальное понимание информационно-коммутационного устройства головного мозга человека и млекопитающих, а также навыки микронейрохирурга и нейроинженера-нейротехнолога.

Еще одним направлением подготовки нейроинженеров станут дистанционные бесконтактные мультиволновые реконструкции головного и спинного мозга под контролем магнитно-резонансной томографии (МРТ) и других аппаратных средств лучевой диагностики, которые станут реальной альтернативой современным нейрохирургическим операциям. Первые варианты подобного нейробиоинженерного подхода мы продемонстрируем далее, в отдельной главе о дистанционной бесконтактной мультиволновой радионейроинженерии нервной ткани человека.

В последние годы наряду с термином «нейроинженерия» в средствах массовой информации (СМИ) очень широко используется термин «нейротехнологии». Особенно актуален этот термин стал после создания и запуска в 2012 г. 10-летнего международного европейского научно-исследовательского проекта Human Brain Project, разработанного по инициативе Еврокомиссии, стоимостью в 1,2 млрд евро, где термин «нейротехнологии» обрел новое биологическое звучание, новый научный смысл и биотехнологическое содержание. Под нейротехнологиями 300 ведущих европейских нейроученых стали понимать различные технологические стратегии изучения мозга, диагностики и лечения неврологических заболеваний и психических расстройств, а также способы нейроинженерной реставрации и восстановления нарушенных функций поврежденного мозга человека. Термин «нейротехнологии» стал настолько наукоемким и всеобъемлющим, что он стал не только нейробиологическим, биомедицинским и биотехнологическим, но и инженерно-техническим и социально-экономическим. С одной стороны, под нейротехнологиями стали понимать природоподобные биоинженерные, нейроматематические и вычислительные технологии, а также работу с большими объемами данных (big data), а с другой стороны, нейротехнологиями стали называть создание нейроморфных вычислительных суперкомпьютеров и робототехники, а также нейроинтерфейсов между мозгом человека и компьютером (Каплан и др., 2018). Разработка и создание систем искусственного интеллекта тоже определена учеными как одна из самых продвинутых нейротехнологий. Таким образом, термин «нейротехнологии» стал собирательным образом всех инноваций и новаторских решений в области изучения мозга человека, реконструкции поврежденного мозга, восстановления нарушенных функций и создания природоподобных нейроморфных систем вычислительной техники, имитирующих устройство и принципы работы мозга человека. Именно нейротехнологии должны будут в 2022 г., по завершении глобального Human Brain Project, дать возможность европейцам создать искусственный интеллект на базе нейроморфного суперкомпьютера нового поколения и новое понимание устройства мозга человека. Впервые именно в свете нового понимания устройства мозга человека нейроученые из Евросоюза стали говорить о создании теоретической неврологии, которая сможет дать методологическое и теоретическое обоснование созданию принципиально новых нейротехнологий. Сегодня научный прорыв и победа в области развития и создания нейротехнологий должны будет обеспечить победителям мировой гонки технологий технологическоее превосходство перед противниками и партнерами.

Принципиально новая постановка проблемы мирового лидерства через технологическое превосходство и нейротехнологии и амбициозность замысла европейцев ошеломили половину мира и в первую очередь их партнеров из США. В ответном шаге американской администрации уже через год (2013) на эту стратегическую инициативу европейского научного сообщества была принята ответная инициатива американских ученых под названием Brain Initiative с общим финансированием в 3 млрд долл. США, где основной упор в разработках и исследованиях также был сделан на создание инновационных, энергетически малозатратных или подобных по энергозатратам и эффективности мозгу человека нейротехнологий. Флаг развития нейротехнологий, поднятый европейцами и учеными из США, подхватили японские политики и ученые, а затем китайские ученые и руководители коммунистической партии Китая, которые решили вложить в нейротехнологии количество юаней, эквивалентное 10 млрд долл. США.

Сегодня гонка вооружений XX в. стала соперничать с гонкой технологий XXI в. и стало очевидным, что победителем в первой станет явный фаворит во второй. Нейротехнологиям отводится центровое место в системах обороноспособности государств, создании нейроморфных супервычислителей, искусственных интеллектуальных роботизированных систем вооружения и нейроподобных технологий защиты от психотронного воздействия на армии разных стран. Под нейротехнологиями в настоящее время в зарубежных научно-исследовательских проектах понимают научные исследования, биомедицинские и вычислительные технологии в области создания нейроморфных природоподобных вычислительных суперкомпьютеров и накопителей информации, разработку и создание нейроинтерфейсов или устройств для осуществления взаимодействия между мозгом человека и компьютером, нейроинтерфейсов для управления оружием, техникой, роботизированными устройствами и даже бионическими протезами конечностей. К нейротехнологиям также относят технологии нейросетевой обработки и хранения больших объемов биологической и социальной информации, разработку и создание инновационных клеточных и биоинженерных технологий диагностики и лечения целого ряда неизлечимых неврологических заболеваний в виде основных нервных болезней цивилизации: болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, системная корковая атрофия и слабоумие, боковой амиотрофический склероз, генетические нервные болезни и т. д. Эти технологии предполагают создание ультрасовременных способов молекулярно-биологической диагностики целого ряда психических расстройств и нервных болезней на основе геномных (геномики) и постгеномных (транскриптомики, протеомики, метаболомики, секретомики) биотехнологий. Нейротехнологии ставят целью возможность управления функциями головного мозга, памятью человека и нейролигвистического перепрограммирования личности человека. Поэтому в этой связи нейроинженерия – это больше инструментальное и программное обеспечение для реализации стратегических замыслов путем предлагаемых и планируемых воздействий на головной мозг человека с целью управления его функциями. Реализация этого замысла возможна только путем создания нейротехнологий, обеспечивающих инсталляцию новых функций и возможностей мозга и возможность их практической реализации у человека.

Существенным компонентом современной нейроинженерии является нейрокибернетика, и эти термины нельзя путать или отождествлять. В интернете в статье «Элементы кибернетики нервной системы» (https://lektsia.com/6xa917.html) идет серьезный анализ нейрокибернетического нейроинженерного направления в нейронауках. Нейрокибернетика, или кибернетика нервной системы, – наука, изучающая процессы управления и связи в нервной системе. Такое определение предмета и задач кибернетики нервной системы позволяет выделить 3 ее составных компонента (раздела): организацию, управление и информационную деятельность. Именно поэтому понимание основ нейрокибернетики позволяет строить искусственные нейроинженерные устройства и нейробиотехнологии. В сложных полифункциональных интегративных системах мозга невозможно раздельное функционирование элементов организации, управления и информационной деятельности, они тесно связаны и взаимообусловлены. Эти кибернетические принципы устройства ЦНС и должна моделировать нейроинженерия в своих устройствах и нейроинтерфейсах. Организация нервной системы во многом предопределяет механизмы управления и эффективности передачи и переработки информации. Управление модифицирует механизмы организации и самоорганизации, обеспечивает эффективность и надежность информационной функции системы. Информационная деятельность является обязательным условием совершенствования процесса организации, управления как оперативный прием эффективного воздействия и целенаправленного видоизменения.

В центре внимания теории организации и самоорганизации в нейрокибернетике лежит представление о системных свойствах конструкций мозга на разных морфологических и эволюционных уровнях устройства нервной системы. Ведущим свойством системы является организация. Система – совокупность элементов, где конечный результат кооперации проявляется не в виде суммы эффектов, составляющих элементы, а в виде произведения эффектов, т.е. системность как характерное свойство организованной сложности предполагает неаддитивное сложение функций отдельных компонентов. Объединение двух и более элементов в системе рождает новое качество, которое не может быть выражено через качество составляющих компонентов.

Отдельный нейрон является носителем свойств, позволяющих ему интегрировать влияние других нейронов, строить свою активность на основании оценки результатов интеграции. С другой стороны, на основе таких свойств происходит объединение индивидуальных нейронов в системы, обладающие новыми свойствами, отсутствующими у входящих в их состав единиц. Характерной чертой таких систем является то, что активность каждого составного элемента в них определяется не только влияниями, поступающими по прямым афферентным путям каждого элемента, но и состоянием других элементов системы. Свойство системности в нервных образованиях возникает тогда, когда деятельность каждой нервной клетки оказывается функцией не только непосредственно поступившего к ней сигнала, но и функцией тех процессов, которые происходят в остальных клетках нервного центра (Костюк, 2010; Eichenlaub et al., 2020; Willett et al., 2020).

Оптимальная организация нервных конструкций обычно сочетается со значительной структурой или функциональной избыточностью, которой принадлежит решающая роль в обеспечении пластичности и надежности биологической системы. Нервная система животных и человека – самая совершенная по структуре система, разнообразие форм и размеров клеток которой не имеет аналога ни в какой другой физиологической системе биологического организма. Все многообразие и сложность форм нервных клеток в разных структурах и органах есть результат и основа богатого разнообразия функций элементов ведущей регуляторной системы организма. Часто наблюдаемые петлеобразные структуры в архитектонике волокнистых структур мозга (боковые и возвратные ветви аксонных отростков), обеспечивающих возможность циркуляторного прохождения информации, очевидно, выполняют функции механизма обратной связи, играющей столь важную роль в кибернетике нервной системы.

Важным моментом организации и самоорганизации служит системообразующий фактор – результат действия (Анохин, 1968). Реальной физиологической системой нейронов является комплекс нервных клеток, у которых взаимодействие и взаимоотношения приобретают характер взаимодействия элементов на получение фиксированного полезного результата.

Суть процесса управления заключается в том, что из множества возможных воздействий отбираются и реализуются те, которые направлены на поддержание, обеспечение рассматриваемой функции органа. Управление представляет собой информационный процесс, предусматривающий обязательность контроля за поведением объекта благодаря кольцевой, или круговой, передаче сигналов. Это предусматривает два вида передачи информации: по цепи управления от регулятора к объекту и в обратном направлении – от объекта к регулятору, при помощи обратной связи, по которой поступает информация о фактическом состоянии управляемого объекта.

Обратная связь бывает двух видов: положительная и отрицательная. В случае положительной обратной связи сигналы, поступающие на вход системы по цепи обратной связи, действуют в том же направлении, что и основные сигналы (воздействие среды). Положительная обратная связь ведет не к устранению, а к усилению рассогласования в системе. Отрицательная обратная связь обеспечивает выдачу управляемому объекту со стороны управляющего устройства команд, направленных на ликвидацию рассогласования действия системы (отклонений параметров системы от заданной программы). Стабилизирующая роль отрицательной обратной связи проявляется в том, что дополнительные сигналы, поступающие на вход системы по цепи обратной связи, действуют на систему в направлении, противоположном основному воздействию на объект.

В нейронных системах мозга встречаются два типа регулирования: управление по отклонению и управление по возмущению. При управлении по отклонению, или по рассогласованию (величина ошибки), в качестве запускающего воздействия служит само отклонение регулируемой величины. В этом случае независимо от причины рассогласования возникшее отклонение вызывает регуляторные воздействия, направленные на его ликвидацию. Если этого окажется недостаточно для устранения эффекта возмущающего стимула, система мобилизует дополнительные механизмы обеспечения гомеостаза. Такой способ регулирования является наиболее простым и встречается в основном в примитивных формах организации нервной системы, на низших уровнях ее конструкции.

Ведущая роль нервной системы в организме определяется ее управляющей функцией по отношению к другим органам и тканям, обеспечиваемой благодаря способности воспринимать и перерабатывать информацию в целях оптимального приспособления организма к стохастической внешней среде. В процессе эволюционного филогенетического совершенствования нервных структур как ведущей информационной системы организма конструктивные особенности мозга определяют высокую адекватность (оптимальность) его коммуникационных систем: на мультиклеточном уровне центральные нервные образования вместе с рецепторами и эффекторами составляют информационное поле с богатейшими возможностями для обработки сигналов.

Считается, что основным носителем информации в нервных клетках являются импульсные потоки, состоящие из отдельных импульсных сигналов стандартной амплитуды – распространяющихся потенциалов действия. Центральным моментом в информационной деятельности нервных структур является кодирование, суть которого составляет процесс преобразования сообщения из одной формы в другую. Трансформированная в рецепторах информация подвергается в организме многократным дальнейшим превращениям на разных стадиях и уровнях организации нервной системы. Тонкая электрохимическая физиология рецепторов и синаптических соединений характеризует физический субстрат элементарных информационных превращений. В качестве кодирующих информацию элементов в самом импульсном потоке может быть любое статистическое измерение, характеризуемое определенным законом изменения в связи с различной интенсивностью раздражения.

В деятельности нервной системы значительное место занимают способы и методы пространственного кодирования информации, обеспечивающие высокую экономичность передачи информации о пространственном расположении, характеристике стимулов. Формы пространственного кодирования информации в дополнение к различным видам временного кодирования (интервальное, частотное и др.) существенно повышают информационную емкость нервных структур.

Сравнение суммарного информационного потока, поступающего в живой организм через органы чувств (3 × 109 бит/с), с количеством информации, необходимой для принятия целесообразного решения (20—25 бит/с), указывает на высокую избыточность входной информации, наличие специфических механизмов, уменьшающих количество информации по мере ее продвижения в структурах анализатора (от рецепторов к центральному отделу анализатора).

Из окружающей среды в организм в среднем поступает до 100 бит информации в секунду, но благодаря селективным свойствам сенсорных систем в мозг поступает лишь 10 бит информации. В процессе адаптивного приспособительного поведения животного организма значительная роль принадлежит сенсорным реле – промежуточным узловым структурам сенсорных систем. Они выполняют функции выявления во входных посылках физиологически важной информации. В результате в сенсорных реле, образующих фильтрующие (перекодирующие) центры, происходит регулирование суммарного входного информационного потока в соответствии с требованиями других отделов нервной системы и всего организма в целом (Bryukhovetskiy, 2015).

Мы так подробно остановились на современном понимании устройства головного мозга человека и существующих в научной литературе кибернетических принципах работы мозга, чтобы вы могли сравнить их в дальнейшем с нашим авторским пониманием предложенного информационно-коммутационного устройства и увидеть кардинальные их отличия в теории, в эксперименте и на практике.