Флешка для мозга
Расширить память человека, под- ключив к ней флешку, или исправить работу пораженного участка мозга с помощью нейрочипа — почти фан- тастика. Но в лаборатории ННГУ это становится реальностью. Искусствен- ные нейроны, над созданием кото- рых работают исследователи, смогут выполнять функции нервных клеток человека: получать сигнал, обраба- тывать его и передавать дальше. — Наши первые шаги в области нейропротезирования сделаны пока на этапе фундаментальных исследо- ваний, и нейрочип — это концепция того, в каком направлении следует двигаться дальше,— рассказывает Михаил Андреевич Мищенко, науч- ный руководитель проекта, к.ф.— м.н., научный сотрудник кафедры те- ории колебаний и автоматического регулирования радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачев- ского.— Нейропротезирование, ин- терес к которому появился в миро- вой науке, можно разделить на две ветви. Первая — нейропротезирова- ние, направленное на восстановле- ние моторных функций. Например, у больных с повреждением спинного мозга и нарушением двигательных функций путем электрической сти- муляции спинного мозга можно до- биться либо полного, либо частич- ного восстановления двигательных функций. В этом же направлении развивается и нейропротезирова- ние сенсорных функций — искус- ственной сетчатки и кохлеарных, то есть слуховых, имплантов, которые уже используются в медицинской практике. Это относительно простые варианты нейропротезирования. А наша группа занимается более слож- ным направлением, которое еще только начинает формироваться. Оно связано с когнитивной имплан- тацией, то есть попытками вернуть утраченные когнитивные функции (к ним относятся самые сложные процессы, управляемые головным мозгом, прежде всего память, речь и интеллект). В частности, мы хотим разработать технологию замещения поврежденного участка мозга ней- рочипом, то есть электронной ней- ронной сетью, чтобы вернуть чело- веку память, если она утрачена из-за повреждения мозга. Для того, чтобы в нейрочипе появились когнитив- ные функции, ученые предлагают объединить достаточно большое ко- личество нейронов. В человеческом мозге содержится несколько десят- ков миллиардов нейронов, и если соединить хотя бы 5 миллиардов искусственных нейронов, то можно будет получить простейшие когни- тивные функции. Работы по такому моделированию ведутся. Наиболь- шие ожидания связаны с The Human Brain Project — крупнейшим в исто- рии изучения человеческого мозга научно-исследовательским проек- том, основанным в 2013 году в Жене- ве и финансируемым в значительной степени Евросоюзом. Цель проек- та — создание первой в мире моде- ли человеческого мозга. Исследо- ваниями заняты ученые из 26 стран и 135 партнерских институтов. Ре- зультаты ожидаются в начале 2020-х годов. А наша научная группа через три года планирует создать сеть из 100 искусственных нервных клеток и приступить к лабораторным испыта- ниям на грызунах. Результатом испы- таний должно стать восстановление электрических импульсов в повре- жденном мозге мыши. Нейрочип сможет помочь и лю- дям, перенесшим инсульт. После инсульта нервная система челове- ка перестает корректно работать, сигналы перестают передаваться, и разработка искусственных чипов НАУКА «Поиск-НН» № 9 (207), 2017 21 позволит восстановить утраченную передачу. В данном случае можно сравнить чип с запчастью или флеш- кой для головного мозга. Так что с медицинской точки зрения нам понятно, на что направить усилия. Подобные технологии смогут суще- ственно ускорить реабилитацию. — С другой стороны, из нейропо- добных элементов возможно созда- ние электронного устройства напо- добие компьютерного процессора, который будет работать по принципу обработки информации мозгом, а не по принципу компьютера,— пояс- няет Михаил Мищенко. — Простой пример — взять ручку со стола. Че- ловек вовсе не задумывается над этим действием, он может при этом разговаривать по телефону или чи- тать. А компьютеру для выполнения этой задачи нужно потрудиться: со- здать программу расчета траектории движения руки, в нужный момент произвести захват ручки, затем под- нять ручку и удерживать ее. Мозг ра- ботает по-иному, чем компьютер. И если составить процессор из нейро- подобных элементов, то можно наде- яться, что он будет воспроизводить принципы обработки информации, заложенные в мозге, а не в компьюте- ре. Так что практическую значимость разработок нижегородских ученых можно увидеть в двух направлениях. Первое — медицинское приложение. Второе — создание нейроморфных вычислительных систем, которые об- рабатывают информацию по принци- пам обработки информации мозгом. В настоящий момент нейрочип представляет из себя достаточно громоздкий макет, поскольку ученым необходимо управлять им, иметь возможность заменять элементы, но со временем планируется создать чип размерами 2х3 мм и внедрить в него искусственные нейроны. По словам руководителя проекта, груп- пе европейских исследователей, занимающихся этой тематикой, уда- лось на подложке таких размеров разместить несколько десятков ней- ронов. Европейцы находятся на пол- шага впереди нижегородских уче- ных, но догнать их реально. — Как скоро разработки ученых ННГУ могут войти в практическую медицину? — Входу новых технологий в ме- дицину предшествуют серьезные доклинические и клинические ис- следования, сертификация и соблю- дение ряда других процедур, поэ- тому в среднем сроки внедрения новинок занимают не менее 5 лет. Думаю, что в нашем случае готовая технология появится в мире через 10–15 лет. Известный изобретатель и инвестор Илон Маск, прогнозируя создание нейрочипов, расширяю- щих возможности человека, тоже определил горизонт их появления 10–15 годами, — подчеркивает Ми- хаил Мищенко. — Использование нейрочипов для вычислительных технологий можно ожидать через 3–5 лет. То есть к этому времени мы уже сможем построить ансамбли, способные выполнять какие-либо несложные функции, например, ана- лиз изображений. Работы по данному проекту в ННГУ проводятся на средства гран- та Российского фонда фундамен- тальных исследований и гранта Президента Российской Федерации, учрежденного для господдержки научных исследований молодых уче- ных. У Михаила Мищенко есть планы подать до конца года документы на грант для проведения исследований с лабораторными животными. Дело в том, что исследования ведутся в тесном контакте с сотрудниками Ин- ститута биологии и биомедицины ННГУ, в частности, с лабораторией по разработке методов нейропро- текции под руководством Марии Валерьевны Ведуновой и кафедрой нейротехнологий под руководством Виктора Борисовича Казанцева. — С коллегами мы обсуждаем направления развития наших ис- следований, в том числе проект ин- терфейса — считывания у грызуна сигналов с одного участка мозга и передачи их через нейрочип на дру- гой участок, что, по сути, означает за- мещение какого-либо участка мозга. Пока наши идеи были протестиро- ваны на срезах и на культурах — на «мозге в пробирке», но когда нач- нется этап исследований с живыми объектами, я планирую привлечь к проекту специалистов-биологов, в том числе свою супругу Татьяну Ми- щенко, — говорит ученый. — А пока в нашем проекте участвуют шесть человек — студенты, аспиранты, молодые научные сотрудники. Те- матика и прикладной характер про- екта интересны студентам, но и к ним предъявляются более высокие требования. С другими российскими коллегами, занимающимися нейро- протезированием, я не встречался, но знаю, что такие исследования ве- дут российские ученые в зарубеж- ных центрах. Так, на одной из конфе- ренций я познакомился с Михаилом Лебедевым, под руководством ко- торого в университете Дьюка в США идет работа над созданием нейроин- терфейсов, дающих человеческому мозгу возможность управлять искус- ственным телом (протезом) и обеспе- чивать обратную связь от протезов мозгу (речь в данном случае идет о восстановлении функций мозга по- сле его повреждения). Я еще только начинаю свой научный путь и наде- юсь на сотрудничество с ведущими коллективами в данной области. На- деюсь, мы будем полезны друг другу. Несмотря на то, что отдельной лабо- ратории под данное направление в ННГУ пока не сформировано, я пола- гаю, что в новом Центре инноваци- онного развития медицинского при- боростроения, открытом в сентябре в рамках Всероссийского научного форума «Наука будущего — наука молодых», мы будем сотрудничать с профильными лабораториями. Раз- работка нейрогенератора, воспро- изводящего динамические режимы, характерные для нейронов мозга, позволит создать новые нейромор- фные вычислительные системы и со- здать задел для использования в ме- дицине нейропротезирования.
Читайте также
Комментарии
Свежий выпуск
