Медуза-имплант и гибридная 3D-печать: как развивают нейротехнологии в России

Нейронаука вчера

Разобраться в устройстве мозга пытались еще в древности. На эту тему писали Гиппократ, Гален и другие античные врачи. Конечно, в их соображениях хватало заблуждений, но многие взаимосвязи они смогли установить верно. Впрочем, первые научные (в современном понимании этого слова) исследования начались намного позже — в XVIII–XIX веках. С помощью препарации ученые искали ответы на вопросы о том, как связаны определенные участки головного органа с функциями всего тела.

Электроэнцефалография регулярно используется в исследованиях работы мозга Фото: © Roman Zaiets / Shutterstock / FOTODOM

В XX веке наука о мозге сильно продвинулась вперед. Благодаря изобретению электроэнцефалографии появилась возможность записывать электрическую активность мозга, что открыло новую страницу в нейронауке. ЭЭГ и до сих пор один из главных ее инструментов. Затем появились более современные методы визуализации, такие как магнитно-резонансная томография и позитронно-эмиссионная томография. Они позволили буквально заглянуть в голову.

Сегодня нейротехнологии включают глубокое машинное обучение, нейромодуляцию и интерфейсы мозг — компьютер. Последние передают информацию от машины прямо в мозг и наоборот. За счет этого парализованные люди уже получили возможность управлять протезами и пользоваться компьютером.

#медицина #спинной мозг

Травма спинного мозга: новые подходы к лечению

Читать

Нейротехнологии сегодня

Однако мозговые импланты малодоступны из-за своей сложности. В отличие от распространенного, но малоэффективного неинвазивного подхода, сделать рабочие нейрочипы крайне непросто. В этом направлении сейчас трудятся ученые по всему миру, и некоторые весьма успешно (пример Илона Маска и его «Нейролинка» у всех на слуху).

Есть чем похвастаться и российской науке. Например, в Институте искусственного интеллекта МГУ сейчас разрабатывают простые в изготовлении и недорогие электроды для нейроимплантов. Именно сложность этих элементов затрудняет массовое изготовление. Тонкие и биосовместимые электроды, которые придумали московские ученые, сделают нейрочипы еще более персонализированными. Их можно будет подстраивать и менять под нужды конкретного пациента.

А команда, объединившая сотрудников Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского госуниверситета и Научно-технологического университета «Сириус», задумала сделать «нейромедуз». Это мягкие импланты, которые смогут мягко обволакивать ткани, возвращая человеку утраченные функции и не мешая его мозгу функционировать.

«Мягкие импланты — это электродные матрицы, у которых из силикона выполнена не только основная часть, но и электропроводящая. При этом функциональность устройства остается на высоком уровне. Можно как стимулировать нейронные сети, так и считывать работу мозга. Это важно и для медицины, и для фундаментальной науки. Сейчас таких имплантов на рынке нет», — объясняет профессор и заведующий лабораторией нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ и научный руководитель направления «Нейробиология» Университета «Сириус» Павел Мусиенко.

Павел Мусиенко Фото: © Юрий Славин / пресс-служба Сириуса

Для изготовления мягких имплантов требуется особая, гибридная 3D-печать. Нужен сложный принтер с несколькими головками, чтобы объединить в одном производственном цикле мягкий полимер и электропроводящие чернила. Ученые из Санкт-Петербурга и Сириуса освоили эту технологию, доказав ее эффективность: результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering. Следующий шаг — клинические исследования.

Изучение мозга помогает нам сделать импланты близкими к тому, что естественным образом в нем происходит

Павел Мусиенко

Нейротехнологии завтра

Развитие нейротехнологий требует не только новых инженерных решений, но и стратегического подхода к организации исследований. Важно понять, какие области изучать в первую очередь, а еще создать условия для междисциплинарного сотрудничества, чтобы обеспечить равномерный прогресс.

«В идейном плане мы где-то и опережаем коллег, но в некоторых технических областях еще нужно постараться. По неинвазивным технологиям отставания особого нет, но по инвазивным нужно больше ресурсов, в том числе человеческих, чтобы догнать ученых других стран. Важна мультидисциплинарность, совместная работа специалистов из разных областей», — говорит профессор механико-математического факультета МГУ Михаил Лебедев.

В России много людей, которым жизненно необходимы нейрочипы. Это пациенты с травмами спинного или головного мозга, а также страдающие болезнью Паркинсона Фото: © Kemarrravv13 / Shutterstock / FOTODOM

Другая проблема из числа ключевых связана с нехваткой информации. Современные алгоритмы анализа требуют больших объемов качественных данных, а их недостаток может существенно замедлить развитие технологий.

«Нейронные сети помогают нам анализировать огромные массивы данных, и все же информации не настолько много, чтобы использовать генеративные нейронные сети. Здесь помогают международные базы данных. Поэтому даже маленькие наборы информации надо аннотировать и делиться ими, иначе прорыва никто не совершит», — подводит итог заведующая лабораторией анализа биомедицинских изображений и данных СПбГУ Екатерина Пчицкая.

Развитие нейротехнологий в России и другие научные темы обсуждали на IV Конгрессе молодых ученых, который прошел в Университете «Сириус» с 27 по 29 ноября.