Полная версия
Очень важно понять, какие научные теории и какое методологическое и теоретическое обоснование лежат в основе разрабатываемых нейротехнологий, зачем это делается и кто «заказывает музыку» в разработке этих направлений научного прогресса. Остановимся на основных нейротехнологиях и фундаментальных нейроисследованиях, определяющих современный биотехнологический ландшафт мировой нейроинженерии и нейротехнологий.
Нейротехнологии интерфейса «мозг – компьютер» (нейроинтерфейс). Одной из самых востребованных, самых актуальных и глобально разрабатываемых в мире нейротехнологий в современной нейроинженерии являются технологии взаимодействия «мозг – компьютер», их другое название – технологии нейроинтерфейса (Hosman et al., 2019; Vilela, Hochberg, 2020). Вокруг этой научной тематики нейроинженерии сегодня накопилось очень много всего необычного, почти фантастичных фактов. Ситуация вокруг этих нейротехнологий активно «подогревается» выходом в свет ряда научно-фантастических, документальных и художественных фильмов, типа «Матрицы», где возможности этих технологий поражают воображение обычного человека и даже нейроученого. Технология нейроинтерфейса, в недалеком приближении, предполагает возможность установления устойчивой информационной (прямой и обратной) связи между компьютером и головным мозгом человека. На первый взгляд это довольно просто, но на самом деле это информационное взаимодействие не удалось пока осуществить никому, и ниже мы это попытаемся показать на примерах.
Пионером реального создания научно-практической технологии нейроинтерфейса у человека считается Джон Донохью (Dr. John Donoghue) (рис. 1). Этот нейроученый из Brown University из Providence (Rhode Island) имплантировал нейроинтерфейс впервые в мире пациенту-спинальнику Мэтью Найджелу (Matthew Nagel), получившему ножевое ранение спинного мозга в 2001 г. Он осуществил имплантацию нейроинтерфейсной системы BrainGate Neural Interface system. В результате этого сложнейшего нейрохирургического вмешательства на человеке всему миру была продемонстрирована реальная возможность «управления мыслью» автоматизированного и роботизированного устройства (цитата). Эти сенсационные данные были опубликованы 13 июля 2006 г. во всемирно известном научном журнале Nature №442 на с. 164—171. Эта «научная сенсация» вызвала взрыв интереса к этой тематике в научной общественности и огромный научный резонанс среди ученых и привела к открытию многомиллионного финансирования подобных исследований в США и Европе. Пресса ликовала, были показаны фотографии «революционного прорыва» в нейронауках (рис. 2). Джон Донохью стал мировой научной знаменитостью. Но что же дальше? Что дал человечеству этот уникальный и очень опасный эксперимент на инвалиде-спинальнике? Что дал этот эксперимент самому пациенту? Давайте посмотрим на результат этого научного прорыва через годы после этой новаторской операции!
С момента публикации этого фантастического научного факта до сегодняшнего дня уже прошло более 15 лет, и что же мы знаем про этот выдающийся эксперимент сегодня? Да ничего кроме того, что он был пионерским и «первым в мире нейроинтерфейсом», выполненным на человеке! Мы полагаем, что никакого реального нейроинтерфейса осуществлено не было! Очевидно, что была выполнена достаточно бесполезная и достаточно опасная операция на мозге человека без конкретного конечного результата. Была получена «сенсация века», и был удовлетворен научный интерес отдельного ученого, и не более того. Где практическая реализация этого «революционного мирового открытия» в современных нейронауках? Ее так и не представлено! К сожалению, в открытых источниках мы не можем найти публикаций об отдаленном результате клинического применения столь фантастического открытия в нейронауках, сделанного более 15 лет назад. Да и был ли установлен нейроинтерфейс между мозгом пациента и компьютером, сегодня представляется достаточно сомнительным. При этом был очевиден «революционный посыл» первого прецедента создания нейроинтерфейса на людях. Был сделан первый эксперимент на человеке, который ничего не дал, а лишь показал нашу несостоятельность перед решением этой проблемы на тот период развития науки и технической мысли. Скольким инвалидам-спинальникам была дана надежда на возможность исцеления и улучшения качества своей жизни? Таких данных нет. Но и реального результата эксперимента пока нет, а сенсация оказалась фейковой и искусственно раздутой прессой и самими разработчиками.
Чем же сегодня занимаются «пионер нейронаук» и «создатель нейроинтерфейса» нейроученый John Donoghue и его коллектив ученых? Вот как описываются сегодняшние (начало 2021) достижения и результаты этих ученых на сайте Института исследований мозга Карни Университета Брауна: «Работая на переднем крае нейроинженерии и нейротехнологий, исследователи из Института исследований мозга Карни делают огромные успехи в разработке и развертывании устройств, которые взаимодействуют с мозгом, чтобы лучше понять работу мозга и помочь людям с параличом и другими расстройствами нервной системы. Истоки нейроинженерии в Университете Брауна лежат в проекте, известном как BrainGate. Основываясь на ранних фундаментальных исследованиях, проведенных в лаборатории директора – основателя Института Карни Джона Донохью о том, как мозг контролирует движение, группа исследователей, выходящих за рамки границ областей исследования, создала и протестировала систему интерфейса „мозг – компьютер“, которая обещает восстановить функции и независимость для лиц с параличом». То есть и через 15 лет после их сенсации эта технология все еще обещает что-то восстановить у парализованного пациента. При этом исследователи под руководством Джона Донохью опубликовали большое количество фундаментальных исследований на эту тему (Ajiboye et al., 2017; Vargas-Irwin et al., 2018; Milekovic et al., 2018; Eichenlaub et al., 2020; Willett et al., 2020), но реальных результатов разработанного ими нейроинтерфейса так и нет.
Почему столь громко разрекламированный и столь сенсационный для всего мира эксперимент на человеке проф. John Donoghue и его коллег не имеет логического продолжения в клинике и на практике уже столько лет? Оказалось, что все не так просто с этими нейроинтерфейсами. Возможно, что причиной неудач являются ошибки в теории и методологии понимания информационного устройства головного мозга человека и млекопитающих, что не позволяют решить столь необходимую задачу присоединения живого мозга к неживому компьютеру.
Другим из самых известных и самых продвинутых специалистов в области нейроинтерфейсов является американец венгерского происхождения Эндрю Шварц (Andrew Shwarz) (рис. 3). В рамках специального проекта DARPA Министерства обороны США Э. Шварц ведет разработку имплантируемого интерфейса «мозг – компьютер» с объемом финансирования в 500 млн долл. США. Программа шла 5 лет на обезьянах и уже несколько лет идет на людях (рис. 4). Основной принцип информационного подключения к мозгу человека эта команда пытается осуществить путем имплантации в кору головного мозга решетки из микроэлектродов и попытки снятия внутримозгового сигнала из нервной ткани и создания роботизированного устройства самообслуживания инвалида и программного обеспечения для него путем управления его мыслями (рис. 5).
По данным этой команды разработчиков, им удалось «зарегистрировать моторный внутримозговой сигнал» с прецентральной извилины головного мозга, куда была имплантирована решетка микроэлектродов. Более того, полученный управляющий сигнал удалось не только зарегистрировать в моторных центрах коры головного мозга, но и «послать его обратно». Исследователи из Питтсбурга (США) пришли к выводу, что мыслительными командами пациент-инвалид якобы способен управлять самостоятельно «силой мысли» и выполнять простые моторные действия роботизированным устройством после небольшого периода обучения. Проф. Andrew Shwarz, очень увлеченный и талантливый ученый-нейробиолог, – человек, который верит в то, что он делает, но реальных результатов он также не может представить, и это, на наш взгляд, связано не с только с проблемой нейрофизиологии и нейробиологии, сколько с устаревшей методологией оценки информационной составляющей работы мозга во всем мировом научном процессе нейронаук и с крайне сложным и высокотехнологичным математическим и компьютерным обеспечением подобной работы. Нам показалось, что уникальное математическое программное обеспечение этих исследований в лаборатории проф. Эндрю Шварца значительно превосходит современные познания и научные представления в понимании нейрофизиологии работы мозга человека, и оно само доделывает и додумывает то, что головной мозг неспособен предоставить для обработки и анализа. В целом работа математиков и программистов этой группы достойна уважения и восхищения!
Главная методологическая ошибка проф. Эндрю Шварца, на наш субьективный взгляд, заключается в его устаревших теоретических нейрофизиологических представлениях об устройстве мозга человека и в неверных информационных принципах его работы. Он преимущественно опирается на теоретические данные русских нейроученых начала XX в., которые были, несомненно, революционными в свое время (конец XIX – начало XX в.), но сегодня их теоретические воззрения больше тормозят научный прогресс, чем его ускоряют. Даже будучи патриотом своей страны (России), надо признать, что отсутствие новой информационной теории устройства мозга и информационных принципов его деятельности стали основной причиной научного тупика в проблеме нейроинтерфейса! Однако свои неудачи в создании полноценного интерфейса эти исследователи видят в проблеме недостаточного качества и количества микроэлектродов и в несовершенстве программного обеспечения их компьютеров. Но это абсолютно не так! На самом деле проблема их лежит в ошибках методологии и устаревших теоретических научных представлениях об устройстве мозга человека и в непонимании информационно-коммутационных принципов функционирования головного мозга.
Рис. 1. Нейроученый проф. Джон Донохью (prof. John Donoghue), пионер в области нейроинженерии и разработчик и создатель первого интерфейса «человеческий мозг – компьютер»
Рис. 2. Пионерские исследования нейроученого Джона Донохью
по разработке и созданию системы нейроинтерфейса на человеке
Рис. 3. Руководитель специального нейропроекта DARPA Министерства обороны США, нейробиолог Питтсбургского университета (США)
проф. Эндрю Шварц
Рис. 4. В рамках специального проекта DARPA Министерства обороны США идет разработка интерфейса «мозг – компьютер», идеологом которой является американец венгерского происхождения Эндрю Шварц. Программа шла 5 лет на обезьянах и уже 4 года идет на людях
Рис. 5. Научное понимание группы проф. Эндрю Шварца о принципах снятия и регистрации полученной от мозга информации, а также локализация электродов в мозге исследуемого человека
Мы преклоняемся перед тем колоссальным объемом экспериментальных научных исследований, которые сделала команда проф. Andrew Shwarz и лично он сам. Но, на наш взгляд, сама идея имплантации в мозг любого инородного тела с целью считывания с его нервной ткани информации представляется ошибочной и порочной в принципе. Проиллюстрируем ее ошибочность на бытовой аналогии. Давайте сравним головной мозг человека с коммутатором на современной автоматизированной телефонной станции (АТС). В нем, как и на современной АТС, идет коммутация поступающей информации и ее маршрутизация абонентам. Если вы придете к коммутатору на телефонной станции и вставите в него два лома, к ним присоедините наушники и попытаетесь прослушать телефонные разговоры, то у вас ничего не выйдет. И это очевидно! Так ведь и с головным мозгом аналогичная ситуация! Вы берете и вставляете грубые инородные тела в нервную ткань – «коммутатор и маршрутизатор» информации в голове человека – и убеждены, что сможете контролировать и регистрировать все процессы мыслительной деятельности, которые якобы происходят в ней и в коре головного мозга. Но это явно не так. Более того, нейрохирургам и неврологам хорошо известно, что нервная ткань мозга всегда отторгнет любое инородное тело, имплантированное в него, путем формирования ликворной кисты или рубца, а также путем формирования атрофии нервной ткани. В итоге вам нужно будет менять локализацию электродов, при этом разрушая в новом месте здоровую нервную ткань головного или спинного мозга млекопитающего или человека. Удивительно, но проф. Эндрю Шварц это прекрасно осознает и понимает, но он убежден, что вся проблема исключительно в количестве и в размерах электродов и биосовместимых материалов, из которых они сделаны.
Подобные работы в этом направлении проводят другие исследователи (Reid R. еt al., 2007). Результаты своей работы они опубликовали в статье A Low-Power Integrated Circuit for a Wireless 100-Electrode Neural Recording System в журнале Ieee Journal of Solid-state Circuits (Jan. 2007. Vol. 42, №1), в которой они также представили свой микроэлектродный инструментарий и нейральный микрочип для создания нейроинтерфейса (рис. 6).
Другой, не менее интересный ученый, работающий в области нейроинтерфейса в нейроинженерии, – доктор Барклей Моррисон (Dr. Barclay Morrison) (рис. 7) и его команда заслуживают пристального внимания. Они занимаются инновационной разработкой в современной нейробиоинженерии, сущностью которой является создание взаимодействия между мозгом и компьютером путем подключения к мозгу с помощью нанотрубок (medforce.ru›nanotexnologii-v-medicine/…).
Рис. 6. 4,7- и 5,9-миллиметровые интегрированные чипы
нейронного интерфейса (INI2)
Рис. 7. Проф. Колумбийского университета Барклей Моррисон
(Dr. Barclay Morrison), разработчик нейроинтерфейса на нанотрубках
Понимание учеными протоколов работы распределенной нейронной сети было облегчено появлением микроэлектронных матричных записывающих устройств (MЗУ), способных к записи активности множества нейронов одновременно. Эти исследователи убеждены, что одновременная запись с многих локализаций в ткани может открыть код действий высшей мозговой деятельности. Проф. Барклей Моррисон (prof. Barclay Morrison) в 2009 г. сообщил, что они стали использовать новый тип MЗУ с электродами, сделанными не из металла, а из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNF). Они показали, что эти устройства могут выполнять стандартные процедуры электрофизиологического исследования на уровне и выше уже существующих коммерческих MЗУ. Исследователями был показан потенциал электродов, основанных на нанотрубках, для установления интерфейса с легковозбудимыми клетками (Resident Neuroelectrochemical Interfacing Using Carbon Nanofiber Arrays). Углеродные нанотрубки – электрохимически активные структуры, которые могут быть объединены в параллельные матрицы, используя обычные инструменты и подходы микроинженерии. В противовес к стандартным плоским матрицам, нанотрубки обеспечивают новые неплоскостные высокодифференцированные структуры, которые предоставляют уникальные возможности для исследования вне- и внутриклеточных процессов. Ранее было продемонстрировано, что эти структуры могут создавать интерфейс с индивидуальными клетками, но не было известно, возможны ли соединение с интактной тканью и запись потенциалов. Теперь якобы доказательства этому получены, результаты исследования показаны в статье Vertically Aligned Carbon Nanofiber Arrays Record Electrophysiological Signals from Hippocampal Slices. Для своих экспериментов исследователи изготовили устройства, состоящие из 40 VACNF-электродов. Для записи электрической активности была взята ткань области гиппокампа. Производилась запись как обычной деятельности, так и сигналов после раздражения.
Считается, что в области нейроинженерии углеродные электроды имеют несколько потенциальных преимуществ перед другими типами. Наиболее важно, что эти электроды хорошо подходят для электрохимических измерений в нейронном окружении и могут использоваться для мониторинга химических изменений нервной ткани, усиливать способности нейронов к восприятию как электрических сигналов, так и уровня медиаторов и могут привести к разработке и возникновению новых типов нейропротезов.
Результаты исследований, полученные в различных научных лабораториях, показывают, что углеродные нанотрубки (УНТ) могут быть использованы в нейроинженерии и для фундаментальных исследований поведения нервных клеток, и для практического применения – для изучения роста и организации нейронной сети, улучшения эффективности передачи сигналов в нервной системе, создания биосовместимого интерфейса, наноэлектродов.
Несмотря на большой интерес нейрофизиологов, биологов и других исследователей к углеродным нанотрубкам, детали взаимодействия «нейрон – УНТ» пока малоизвестны. Значительный прогресс в этой области достигнут в работах коллектива авторов из Италии и Швейцарии. Ученые в течение 8—12 дней культивировали нервные клетки гиппокампа (гиппокамп – часть головного мозга) крыс на подложках из одностенных нанотрубок (ОСНТ). Для получения подложек раствор нанотрубок осаждали на стекло, где после термообработки образовывалась механически прочная пленка толщиной 50—70 нм. Данные электронной микроскопии показали, что по всей подложке разрослись нейроны, имеющие размеры и морфологию, типичные для здоровых клеток. И не просто разрослись, а тесно соединились с нанотрубками! Детальный анализ с помощью микроскопии более высокого разрешения выявил наличие плотного контакта мембраны нейрона с нанотрубкой, что очень важно для создания интерфейса «нейронная ткань – внешнее устройство». Рост нейронов и образование функциональной сети на ОСНТ указывает на полную биосовместимость этих живых и неживых объектов.
Основной результат работы: в нейронах возникали отклики на внешнюю электростимуляцию, осуществляемую через нанотрубки с помощью подсоединенного к подложке Ag-электрода. Таким образом, нанотрубки – не только хорошая поверхность для выращивания нейронной сети, они могут и способствовать повышению эффективности работы мозга благодаря передаче по ним электрического сигнала.
В последующих экспериментах ученые использовали как одностенные, так и многостенные нанотрубки. Влияние УНТ на функции нейронов исследовали, сравнивая данные для гиппокампальных клеток крыс, культивированных 8—12 дней на УНТ-пленках и контрольных подложках. Материалами контрольных подложек служили оксид индия-олова ITO, имеющий высокую электропроводность, и пептиды – неэлектропроводные, но самособирающиеся в нановолокна, похожие на нанотрубки.
Были использованы стандартные электрофизиологические методы, которые позволили зарегистрировать заметное повышение синаптической активности для УНТ-образцов. Результаты подтвердили специфичность нанотрубок, т.к. ни высокая электропроводность первой контрольной подложки, ни нановолокнистая структура второй не помогли стимулировать нейроны. Далее авторы изучили, как нанотрубка может влиять на электрические свойства отдельного, изолированного от сети нейрона. На основании результатов измерений и математического моделирования они пришли к выводу, что нанотрубка может служить «цепью короткого замыкания» между телом нейрона и отростками, таким образом «приближая» к телу удаленные участки нейрона. Если это действительно так, то можно надеяться, что углеродные нанотрубки помогут не только устранить некоторые заболевания и нарушения нервной системы, но и смогут заметно повысить эффективность работы мозга. Это действительно научный прорыв в создании новых форм «биоконтактов» между живыми и неживыми элементами нервной ткани человека, и это направление заслуживает поддержки и фундаментального изучения.
Исследования американских ученых показали, что годятся не всякие подложки из проводящих УНТ! Оказывается, существует достаточно узкий диапазон электропроводности, оптимальный для эффективного развития нейронов. Авторы работы синтезировали ОСНТ, добавили полиэтиленгликоль (ПЭГ), способствующий их растворению и, соответственно, улучшающий биосовместимость, в УЗ-ванне получили однородную дисперсию и распылением нанесли на горячее покровное стекло однородную пленку. Изменяя толщину пленки, можно было контролируемым образом менять электропроводность. Материалы подложек толщиной 10, 30 и 60 нм имели удельную электропроводность 0,3; 28 и 42 См/см соответственно. Для контроля использовали покровные стекла, покрытые неэлектропроводным полиэтиленимином (ПЭИ), который применяется в нейробиологии для активизации адгезии и роста клеток. Культуры гиппокампальных нейронов крыс выращивали на подложках в течение 3 дней. Нейроны имели флуоресцентную метку, и их рост можно было наблюдать с помощью флуоресцентной и интерференционно-контрастной микроскопии. Цель исследований – понять, какую роль играет «пассивная» проводимость. Выяснилось, что разрастание нейронов на 30- и 60-нанометровых ОСНТ-ПЭГ пленках не отличалось от контроля. А вот для подложки толщиной 10 нм общее разрастание отростков и длина всех ветвей заметно увеличились для каждого нейрона. Эти наблюдения могут объяснить различия в результатах, полученных в ряде экспериментов с электропроводными подложками.
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 ProjectТМ было желание представить первую версию подобного экзоскелета на церемонии открытия чемпионата мира по футболу в июне 2014 г., что и было сделано в присутствии сотен тысяч зрителей (рис. 9). Проект Walk AgainTM, во главе которого стоит Центр нейроинженерии университета Дьюка, c 2013 г. разрабатывает высокоэффективные управляемые мозгом протезы, которые позволят пациентам наконец-то покинуть инвалидное кресло. Walk AgainTM – многонациональный проект, направленный на освобождение парализованных пациентов от бремени их собственных тел с помощью прорыва в сфере неврологии.
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 AgainTM).
