Нейроинженерия и нейротехнологии

Проект Walk AgainTM – международный консорциум передовых исследовательских центров всего мира, который представляет новую парадигму для научного сотрудничества академических учреждений, объединяя экспертов в сфере науки и техники для достижения ключевой гуманитарной цели. Благодаря способу связи между тканью мозга и разнообразными искусственными приспособлениями система BMI якобы позволила приматам управлять движениями автоматизированных устройств, включая протезы рук и ног. Для этого они использовали электрическую активность, произведенную сотнями нейронов мозга. Как утверждают разработчики, результаты этих исследований вселяют надежду, что в недалеком будущем пациенты, страдающие от множества неврологических расстройств, приводящих к параличу тяжелой степени, смогут возвратить себе способность двигаться, используя мозговые импульсы для управления сложными нейропротезами. Помимо развития новых технологий, призванных повысить качество жизни миллионов людей, Walk AgainTM привлекает ученых с мировыми именами. Они привносят основные интеллектуальные активы, а также обеспечивают основу для инвестиций в проект, устанавливая четкие цели для достижения фундаментальных успехов в восстановлении полной подвижности пациентов (www.walkagainproject.org; www.tech-life.org).

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.

Также существует достаточное количество бионических протезов, напечатанных на 3D-принтере, которые выполняют косметические функции или функции «хвата», но они неспособны заменить функции утраченной конечности, т.е. малофункциональны (рис. 14).

Рис. 11. Система BioBolt, созданная в Мичиганском университете (США), может быть использована для управления активностью моторной зоны

коры мозга

Главной задачей практического применения технологии нейроинтерфейса является объединение известных технологий с целью помощи тяжелым инвалидам-спинальникам с нижним парапарезом или даже тетрапарезом конечностей путем создания экзоскелетов для самостоятельного передвижения пострадавших или путем создания бионических протезов, инвалидных колясок и роботизированных систем самообслуживания, управляемых мыслью.

Отдельного внимания среди нейроинтерфейсов последнего поколения заслуживает проект Neurograin, который можно перевести как «Нейрогранулы» или «Нейрозерна». Проектом руководит проф. инженерного дела Университета Л. Герберта Баллу, проф. физики Arto Nurmikko (Laiwalla at al., 2019). Ключевые технологии проекта Neurograin включают междисциплинарные исследования в области проектирования схем, разработки встроенных систем, микротехнологии, технологии интеграции и упаковки, радиочастотной связи, нейронного декодирования и нейрохирургии. Сами по себе «нейрозерна» – это полностью беспроводные микромасштабные имплантаты, которые могут быть развернуты в единую систему для формирования крупномасштабной сети из несоединенных между собой, распределенных в заданном пространстве, двунаправленных узлов нейронных интерфейсов, способных к активной нейронной записи и электрической микростимуляции. Индивидуальный нейрозернистый микропроцессор имеет размер 100 микрон и объединяет микроэлектронные микросхемы, несущие в себе возможности для сбора радиочастотной энергии, нейронного зондирования, кортикальной микростимуляции и сложной сетевой двунаправленной беспроводной телеметрии, реализованной с использованием передовых технологий на базе дополнительных металл-оксидных полупроводников.

Устройства герметично закрыты для обеспечения долговременной надежности с использованием новых подходов к тонкослойной упаковке, что позволяет снизить накладные расходы на объем упаковки. Подача энергии и связь с сетью имплантатов управляются с помощью внешних носимых радиостанций по типу кожных пластырей, которые также способны обрабатывать данные в режиме реального времени для считывания нейронных данных и записи нейромодулирующей стимуляции. Задержка двусторонней связи в сети с тысячей каналов поддерживается в пределах физиологического разрешения (миллисекундная шкала).

Масштабируемость имплантируемых устройств нейроинтерфейса является критически узким местом в повышении производительности кортикальных интерфейсов «мозг – компьютер» (BCI) за счет ограничений к доступу к высокоплотным и многозональным кортикальным сигналам. Этого сложно достичь, но можно реализовать с помощью использования монолитных конструкций из 100—200 систем, часто с громоздкими дополнениями и упаковками, пространственно распределенными датчиками, недавно использованными группами, включая наличие лаборатории. F. Laiwalla, J. Lee, Ah-H. Lee et al. (2019) описали микромасштабный (500 мкм) программируемый нейронный стимулятор в контексте эпикортикальной беспроводной сетевой системы субмиллиметровых «нейрогранул» с беспроводным сбором энергии (около 1 ГГц) и двунаправленной телеметрией. Стимулирующие «нейрозерна» перед имплантацией для интеграции проходят постобработку поли (3,4-этилендиоксидиофен) полистиролсульфоната (PEDON: PSS); плоские электроды или интракортикальные проникающие микропровода, а также ансамбли микроустройств герметично инкапсулируются с использованием термокомпрессии жидкокристаллического полимера (LPC) для хронической имплантации. Управление радиочастотным питанием и телекоммуникациями осуществлялось с помощью переносного внешнего устройства Epidermal Skinpatch, чтобы обеспечить возможность для хронической имплантации. Авторы разработали технические характеристики нейрогранул и создали концепцию их применения у грызунов in vivo в лабораторных условиях, а также блок для обслуживания хронических функций имплантата в клинике.

Однако самое уникальное и самое нестандартное биотехнологическое решение проблемы интерфейса между мозгом человека и компьютером предложил один из самых публичных и неординарных людей Америки, да и, наверное, всего мира, миллиардер Илон Маск. Он хочет решить эту практически неразрешимую проблему современной неврологии и нейроинженерии путем создания уникального комплекса микроэлектродов и специализированного аппарата-робота для их внутримозговой имплантации. На собственные частные средства он собрал со всего мира команду высокопрофессиональных нейроученых (неврологов, биологов, математиков, физиков, биофизиков, нейрофизиологов и т.д.), которых обеспечил финансированием, дал им возможность привлечения и применения самых современных технологий и аппаратного инструментария и поставил перед ними задачу создания лучшего образца нейроинтерфейса в мире. Для этих целей им был создан стартап компания Neuralink. Есть мнение, что этот научный коллектив «обречен» на удачу и научный прорыв. Потому что именно Илон Маск сумел разработать, создать и запустить конвейер с самыми совершенными в мире электромобилями марки «Тесла», а также реализовал на практике космическую программу Национального космического агентства США по созданию космических кораблей многоразового использования, которую НАСА не могло реализовать несколько десятилетий после гибели их шаттла и его экипажа.

По словам Илона Маска, инвестировавшего не менее 100 млн долл. в проект нейроинтерфейса, стартапу Neuralink предстоит долгий путь, чтобы выпустить коммерческое устройство. На одном из русскоязычных сайтов (https://vc.ru/future/75737-sila-mysli-kak-rabotaet-neyrointerfeys-neuralink-ilona-maska-gde-primenim-i-chto-o-proekte-dumayut-eksperty) утверждается, что конечной целью стартапа компании Neuralink он видит «симбиоз искусственного интеллекта (ИИ) и человека». И. Маск считает, что это шанс спастись от угрозы порабощения человечества искусственным интеллектом!

17 июля 2019 г. предприниматель и изобретатель Илон Маск и руководители стартапа Neuralink впервые продемонстрировали проект своего нейроинтерфейса Link: он представляет собой «нити» -импланты для считывания информации из мозга и «швейного» робота-хирурга для их вживления. Проект основан на технологии гибких полимерных «нитей» с электродами, которые вживляются в кору головного мозга, считывают активность нейронов и стимулируют их. На каждой нити толщиной от 4 до 6 мкм (в десятки раз тоньше человеческого волоса) расположено по 32 электрода, всего система может включать до 3072 электродов на 96 нитях. Они имплантируются в различные участки мозга и на разную глубину, т.к. цели медицинских исследований и терапии фокусируются на разных частях мозга – центрах речи, зрения, слуха или движения. Основная цель Neuralink – создание безопасного нейроинтерфейса, способного улавливать мозговую активность и обрабатывать сигналы без риска отторжения имплантата организмом. В будущем компания планирует создать миниатюрный беспроводной имплантат, а его вживление, по словам представителей фирмы, будет не сложнее и не больнее Lasik – операции лазерной коррекции зрения. В 2020 г. Neuralink планировал получить одобрение от Министерства здравоохранения США и вместе с нейробиологами из Стэндфордского университета провести первые испытания на пациентах с полным параличом, однако из-за пандемии коронавируса окончательные исследования пока не завершены.

На чем пытаются осуществить научный прорыв в неврологии и нейроинженерии Илон Маск и его команда признанных экспертов в нейронауках? Они создали что-то принципиально новое и нестандартное? Нет и еще раз нет! Идеи компании Neuralink не «появились из ниоткуда» и опираются на множество исследований, посвященных гибким «нитям», но превосходят аналоги по безопасности и объему собираемых данных. Это новый биотехнологический уровень продолжения ранее существующих исследований Брауновского университета по проекту BrainGate. «Нити-электроды из полимера» и робот для их имплантации – это логичное завершение этого проекта. BrainGate использует массив микроэлектродных игл, в которых размещается до 128 электродов, и уступает Neuralink по объему извлекаемых из мозга данных. Более того, иглы жесткие, что ограничивает число доступных нейронов, мешает долгосрочной работе и небезопасно для человека, поскольку мозг движется внутри черепа. Тонкие полимерные «нити», по мнению исследователя из Neuralink Филиппа Сабеса, решают эти проблемы. «Нити» из-за их гибкости сложнее внедрить в кору головного мозга, чем иглы, поэтому Neuralink разработала специального робота, похожего на «смесь швейной машинки с микроскопом». Он способен вставлять по 6 «нитей» в минуту с помощью специальных тонких игл и полностью автоматизирован. Тем не менее нейрохирург сохраняет полный контроль над операцией и может регулировать процесс вручную. Робот размещает «нити» с электродами в непосредственной близости от нейронов, а система компьютерного зрения позволяет избежать проникновения иглы в кровеносные сосуды на поверхности мозга – это снижает вероятность воспалительной реакции организма на «внешние объекты». Чтобы установить имплантаты, хирургам приходится просверливать четыре 8-миллиметровых отверстия в черепе, но инженеры Neuralink считают, что в будущем для проникновения сквозь череп можно использовать лазер.

По мнению Илона Маска, одной из основных проблем взаимодействия человека с искусственным интеллектом (ИИ) является пропускная способность. Neuralink избавляет человека от «прослойки» между мыслью и компьютером, т.к. отдавать команды через нейроинтерфейс куда быстрее, чем голосом или ручным вводом. Но обилие информации и сложность ее считывания через нейроинтерфейсы – это проблема, которую Neuralink хочет решить с помощью специального чипа. Он в реальном времени принимает сигналы с «нитей», усиливает их, очищает от шумов и оцифровывает. У Neuralink есть 2 прототипа чипа с разными характеристиками по числу обрабатываемых каналов и мощности системы. Сейчас чип может передавать данные только через проводное соединение по USB-C, но цель компании – беспроводная система, которую назвали N1 Sensor. По задумке инженеров, N1 Sensor будет встраиваться в организм человека и передавать данные по беспроводной связи внешнему устройству с аккумулятором, расположенному за ухом. Датчиков будет 4: три в моторной области коры мозга, а последний – в соматосенсорной системе. Управлять N1 Sensor можно будет через iPhone. У чипа есть еще одно применение: его разработали так, чтобы не только обрабатывать данные, но и стимулировать клетки мозга. Прямая стимуляция мозга с помощью имплантированных электродов позволяет лечить расстройства двигательной системы и эпилепсию. Но большинство нейроинтерфейсов не адаптируются к потребностям и ощущениям пациента. Нейрохирурги и инженеры считают, что из-за этого недостатка стимуляция мозга не работает для лечения депрессии. Neuralink умеет анализировать данные с помощью машинного обучения и может адаптировать стимуляцию к потребностям пациента. В исследованиях компания Neuralink признает, что «пока не демонстрирует эти возможности».

Разработки компании Neuralink были оттестированы на грызунах и трех поросятах. В исследовательской работе Neuralink рассказывает о 19 операциях на крысах, в которых «нити» успешно разместили в 85,5% случаев, установив 1280 электродов (1020 работали одновременно). Крысы обходили прямоугольную пластиковую клетку, наполненную деревянной стружкой, и искали кусок пармезана. Провод, подключенный к порту USB-C, передавал мозговую активность крысы исследователям: потрескивание нейронов было слышно через динамик, а программа записывала и измеряла силу мозговых колебаний. Собираемых данных было в 10 раз больше того, что по силам самым мощным современным датчикам, пишет Bloomberg. 15 июля компания показала журналистам The New York Times подключенную к лабораторным крысам систему, которая считывала информацию с 1500 электродов. Это в 15 раз лучше, чем в других современных системах, и такого объема данных достаточно для научных исследований и медицинских применений, как пишет издание. В исследовании и официальной презентации приматы не упоминаются, но на секции вопросов и ответов И. Маск заявил, что обезьяна «смогла управлять компьютером с помощью своего мозга».

11 апреля 2021 г. в официальном ютьюб-аккаунте Neuralink появилось видео, на котором макака по имени Пейджер с помощью нейроинтерфейса управляет компьютером. Эксперимент на вид довольно прост. В качестве положительного подкрепления используется банановый смузи, подающийся по длинной трубочке. Если обезьяна наводит курсор на цветной квадрат, она получает порцию лакомства. Игра довольно простая: нужно попасть указателем в цель. Поначалу нейроинтерфейс калибруется: подопытное животное управляет курсором с помощью джойстика, а компьютер анализирует возникающую при этом электрическую активность мозга. Но затем происходит настоящая фантастика – джойстик физически отключается от компьютера. Обезьяна продолжает двигать им, однако на указатель этот сигнал уже не передается, управление им осуществляется интерфейсом «мозг – компьютер». Задание по-прежнему выполняется, поскольку нервные импульсы остаются теми же и Neuralink просто интерпретирует их в движение курсора на экране. Анализ этого материала представлен на сайте «Врачи РФ» (https://vrachirf.ru/concilium/87996.html?utm_source=vrch&utm_medium=dstr_35&utm_campaign=msg_10099).

При внимательном просмотре ролика можно заметить, что в некоторых случаях указатель попадает на квадрат даже раньше, чем рука макаки перемещает джойстик. Ну а пару раз система дает небольшой сбой и прицелиться получается не сразу.

Зрителям показали и вторую игру, которая еще интереснее. В ней джойстик совсем не используется: обезьяна должна управлять ракеткой в пинг-понге только мысленно. По словам диктора, это развлечение обезьяна Пейджер любит гораздо больше.

Как отмечает закадровый голос, имплантация нейроинтерфейса состоялась примерно за 6 недель до съемок. Пейджер получила сразу 2 модуля Neuralink, по одному на каждое полушарие. Причем единственное, что выдает недавнюю операцию, – не до конца отросшие волосы. Сами небольшие «таблетки» многообещающего устройства внедряются в череп заподлицо с внешней поверхностью кости. После заживления швов имплантация интерфейса «мозг – компьютер» внешне будет совсем незаметна. Имплантат Neuralink заряжается беспроводным путем и подключается к любому совместимому устройству по bluetooth. Набор данных, который он передает, можно увидеть в нескольких кадрах первого ролика или гораздо подробнее во втором. На нем спектрограмма считываемых нейроинтерфейсом сигналов синхронизирована с записью играющей в пинг-понг обезьяны. Это дополнительное видео компания разместила в своем блоге, подробно описывающем текущие достижения проекта. Впечатляющий ролик заканчивается активной агитацией стать частью команды Neuralink. По словам диктора, несмотря на все достижения стартап по-прежнему сталкивается со множеством трудностей, требующих при решении творческого подхода. И это неудивительно. В подобных исследованиях все далеко не всегда идет по плану, к тому же специфика разработок на стыке информатики и медицины требует множества согласований, разрешений и большой доли осторожности в своих действиях.

Когда начнутся испытания на человеке, сказать трудно. Маск, дополняя новость Neuralink, в своем твиттере пообещал, что использующие технологию парализованные пациенты смогут пользоваться смартфоном быстрее многих здоровых людей. И анонсировал возможность управления обездвиженными из-за нарушения нейронных связей конечностями с помощью Neuralink. Но в плане сроков он стал гораздо осторожнее и просто не называет конкретных цифр.

На деле стартапу никто не даст проводить операции на людях, пока Neuralink не пройдет серию испытаний, доказывающих безопасность процедуры. Остается ждать, когда научные работы за авторством команды Маска завершат все круги рецензирования. Только после этого можно надеяться на обещанный триумф технологий над хрупкостью человеческого тела (https://naked-science.ru/article/hi-tech/neuralink-pokazala-makaku-kotoraya-igraet-v-kompyuter-nye-igry-bukvalno-siloj-mysli). Также компания готова провести первые испытания на людях, но для этого нужно найти пациентов и убедить в безопасности Министерство здравоохранения США.

Специалисты компании Neuralink считают, что их нейроинтерфейс поможет в изучении и лечении неврологических болезней и нарушений работы мозга, восстановлении моторных функций, лечении слепоты, паралича, эпилепсии, депрессии, болезней Паркинсона и Альцгеймера. С помощью Neuralink парализованные люди смогут управлять телефонами и компьютерами силой мысли, например писать сообщения, просматривать сайты или «телепатически» общаться, как только «технология заработает в обоих направлениях».

После презентации исследователи и ученые разобрали поэлементно опубликованное Neuralink исследование и разделились во мнениях насчет работоспособности и безопасности проекта. Роботизированная платформа с интеграцией электродов и анализом активности с помощью специального программного обеспечения (ПО) – это прорывной анонс, но очень рано говорить о том, насколько быстро получится безопасно использовать Neuralink на людях, как пишет The Wall Street Journal. Потенциал повреждения тканей мозга может стать одной из ключевых проблем, с которой столкнется Neuralink при отправлении заявки на клинические испытания в Министерство здравоохранения США, как считает GeekWire. Например, исследование не получало рецензий; в нем нет информации о том, как долго «нити» могут находиться в мозге человека, нет ли воспалительной реакции на их внедрение и насколько длительна стабильная обработка сигналов нейронов. По мнению нейробиолога Лорена Франка из Калифорнийского университета, крайне важно получить эту информацию, прежде чем разрешать испытания на людях. С ним соглашается разработчик нейроинтерфейсов Тим Харрис – современные технологии, по его словам, не приблизились к полноценному протезированию нейроинтерфейсов. Также Bloomberg замечает, что даже если имплантаты функционируют должным образом, компании еще нужно показать, что она может делать с ними и с полученной информацией что-то полезное и безопасное. Например, предоставить методы лечения болезней с помощью Neuralink. Но компания Neuralink заявила, что сейчас изучает реакцию мозга на внедрение «нитей» и их отторжение, но пока «не готова обнародовать данные». Проф. Фрэнсис Крик из Института биологических исследований в Калифорнии отметил: гибкость «нитей» – это «существенный шаг вперед» для нейроинтерфейсов.