8 декабря в журнале Nature Neuroscience были опубликованы результаты исследования, описывающего новый минимально инвазивный интерфейс «мозг-машина» (BMI). Устройство использует свет для передачи информации непосредственно нейронам, минуя традиционные сенсорные системы, такие как глаза или уши. В отличие от предыдущих разработок, этот аппарат получает искусственные вводные данные в виде паттернов светодиодного излучения по беспроводной связи, не требуя проводов или громоздкого внешнего оборудования.
Разработкой руководил Джон Роджерс, исследователь в области биоэлектроники из Северо-Западного университета. Созданное его командой устройство отличается миниатюрными размерами — оно меньше человеческого указательного пальца. Гаджет выполнен в мягком и гибком форм-факторе, что позволяет ему повторять кривизну черепа. Принципиально важно, что имплантация происходит под кожу головы, а не непосредственно в ткань мозга, что снижает риск повреждений.
Техническая начинка импланта включает в себя 64 крошечных светодиода, электронную схему питания и приемную антенну. Для связи и питания используется технология Near-Field Communications (NFC), аналогичная той, что применяется в системах бесконтактных платежей. Внешняя антенна управляет светодиодами через электромагнитные поля, заставляя устройство проецировать свет сквозь череп на поверхность мозга.
В основе работы устройства лежит метод оптогенетики — использование света для управления активностью генетически модифицированных клеток. Поскольку нейроны мозга от природы не реагируют на свет, требуется предварительное редактирование генома. С помощью вирусного вектора (безвредного вируса) генетические изменения доставляются в определенные клетки различных областей мозга. Это приводит к созданию светочувствительных ионных каналов в нейронах.
Когда светодиоды загораются, эти каналы открываются, позволяя заряженным частицам проникать в клетки. Этот поток инициирует сигнал, который передается другим клеткам. Джон Роджерс сравнивает последовательность световых паттернов с проецированием «фильма» непосредственно в мозг. Устройство способно переключать активность множества нейронов по всей поверхности коры, что отличает его от прошлых работ, где активировались лишь отдельные группы клеток.
Эффективность технологии была продемонстрирована в экспериментах на мышах. Грызунов обучили реагировать на специфические паттерны световых вспышек, которые нейроны воспринимали как сенсорную (в частности, визуальную) информацию, несмотря на то, что сигнал шел в обход глаз. Животные должны были различать узоры активности и перемещаться к определенной нише в стене. В случае правильного выбора местоположения мыши получали вознаграждение в виде подслащенной воды.
Бин Хе, исследователь нейроинженерии из Университета Карнеги-Меллона, не участвовавший в исследовании, отметил значимость этой работы в контексте развития нейротехнологий. Данная платформа рассматривается как инструмент для фундаментальных нейробиологических исследований на животных моделях, а также имеет потенциал для создания продвинутых протезов. В будущем технология может позволить добавлять ощущения прикосновения или давления протезированным конечностям, а также восстанавливать зрение или слух.
Устройство стоит в одном ряду с другими передовыми разработками, такими как нейроинтерфейсы, считывающие активность через яремную вену, импланты для декодирования «внутреннего монолога» и системы помощи пациентам с синдромом «запертого человека». Однако преимущество нового метода заключается в отсутствии необходимости нарушать целостность мозговой ткани и возможности использовать различные длины световых волн для контроля разных областей мозга.
Несмотря на успех экспериментов, существуют серьезные препятствия для внедрения технологии у людей. Во-первых, масштабирование устройства для человеческого мозга требует пересмотра требований к источнику питания. Во-вторых, Джон Роджерс назвал «самым большим препятствием» необходимость получения одобрения регуляторных органов, что особенно сложно в вопросах, касающихся генетической модификации человека.
Изображение носит иллюстративный характер
Разработкой руководил Джон Роджерс, исследователь в области биоэлектроники из Северо-Западного университета. Созданное его командой устройство отличается миниатюрными размерами — оно меньше человеческого указательного пальца. Гаджет выполнен в мягком и гибком форм-факторе, что позволяет ему повторять кривизну черепа. Принципиально важно, что имплантация происходит под кожу головы, а не непосредственно в ткань мозга, что снижает риск повреждений.
Техническая начинка импланта включает в себя 64 крошечных светодиода, электронную схему питания и приемную антенну. Для связи и питания используется технология Near-Field Communications (NFC), аналогичная той, что применяется в системах бесконтактных платежей. Внешняя антенна управляет светодиодами через электромагнитные поля, заставляя устройство проецировать свет сквозь череп на поверхность мозга.
В основе работы устройства лежит метод оптогенетики — использование света для управления активностью генетически модифицированных клеток. Поскольку нейроны мозга от природы не реагируют на свет, требуется предварительное редактирование генома. С помощью вирусного вектора (безвредного вируса) генетические изменения доставляются в определенные клетки различных областей мозга. Это приводит к созданию светочувствительных ионных каналов в нейронах.
Когда светодиоды загораются, эти каналы открываются, позволяя заряженным частицам проникать в клетки. Этот поток инициирует сигнал, который передается другим клеткам. Джон Роджерс сравнивает последовательность световых паттернов с проецированием «фильма» непосредственно в мозг. Устройство способно переключать активность множества нейронов по всей поверхности коры, что отличает его от прошлых работ, где активировались лишь отдельные группы клеток.
Эффективность технологии была продемонстрирована в экспериментах на мышах. Грызунов обучили реагировать на специфические паттерны световых вспышек, которые нейроны воспринимали как сенсорную (в частности, визуальную) информацию, несмотря на то, что сигнал шел в обход глаз. Животные должны были различать узоры активности и перемещаться к определенной нише в стене. В случае правильного выбора местоположения мыши получали вознаграждение в виде подслащенной воды.
Бин Хе, исследователь нейроинженерии из Университета Карнеги-Меллона, не участвовавший в исследовании, отметил значимость этой работы в контексте развития нейротехнологий. Данная платформа рассматривается как инструмент для фундаментальных нейробиологических исследований на животных моделях, а также имеет потенциал для создания продвинутых протезов. В будущем технология может позволить добавлять ощущения прикосновения или давления протезированным конечностям, а также восстанавливать зрение или слух.
Устройство стоит в одном ряду с другими передовыми разработками, такими как нейроинтерфейсы, считывающие активность через яремную вену, импланты для декодирования «внутреннего монолога» и системы помощи пациентам с синдромом «запертого человека». Однако преимущество нового метода заключается в отсутствии необходимости нарушать целостность мозговой ткани и возможности использовать различные длины световых волн для контроля разных областей мозга.
Несмотря на успех экспериментов, существуют серьезные препятствия для внедрения технологии у людей. Во-первых, масштабирование устройства для человеческого мозга требует пересмотра требований к источнику питания. Во-вторых, Джон Роджерс назвал «самым большим препятствием» необходимость получения одобрения регуляторных органов, что особенно сложно в вопросах, касающихся генетической модификации человека.
