Людям с травмами головного или спинного мозга крайне трудно общаться с внешним миром и передвигаться. Порой это и вовсе невозможно. Чтобы помочь таким пациентам, ученые разрабатывают устройства, которые собирают и расшифровывают сигналы, передаваемые по нервной ткани.
Такие устройства называют интерфейсом мозг-компьютер (ИМК). Качество систем ИМК зависит от имплантируемых в мозг датчиков, которые регистрируют электрические сигналы клеток нервной ткани (нейронов) и используют эти сигналы для передачи данных компьютеру, управляющему, к примеру, роботизированным протезом руки или ноги.
Большинство современных систем ИМК используют один или два датчика для получения сигналов от нескольких сотен нейронов. Нейробиологов же интересуют системы, способные собирать данные от большего количества клеток мозга.
Команда исследователей из США решила охватить максимальное количество нейронов с помощью сети независимых беспроводных нейронных микродатчиков размером с крупинку соли.
Крошечные датчики, названные "нейрозёрнами", будут независимо друг от друга регистрировать электрические импульсы от нейронов. Информацию об этих импульсах они будут посылать по беспроводной связи в центральный узел – там сигналы будут координироваться и обрабатываться.
В статье, опубликованной 12 августа в журнале Nature Electronics, исследовательская группа описала использование почти 48 таких автономных нейрозёрен для регистрации нейронной активности у мышей.
"До сих пор большинство ИМК были монолитными устройствами, немного похожими на маленькие грядки из иголок. Идея нашей команды состояла в том, чтобы разбить этот монолит на крошечные сенсоры, которые можно было бы распределить по всей коре головного мозга. Именно это мы и показали [в нашей работе]", – говорит один из авторов исследования Арто Нурмикко (Arto Nurmikko) из Университета Брауна.
Команда, в которую входят специалисты из университетов Брауна, Бейлора, Калифорнийского университета в Сан-Диего и компании-производителя устройств беспроводной связи приступили к разработке системы около четырех лет назад.
Инженеры хотели максимально сократить количество сложной электроники для получения и передачи сигнала от нейронов в крошечные чипы – "нейрозёрна". Команда спроектировала и смоделировала электронику на компьютере, а затем после нескольких попыток изготовила подходящие микрочипы.
Вторая задача состояла в том, чтобы разработать центральный узел связи для приема и обработки информации с микрочипов. Это устройство представляет собой тонкий пластырь размером с отпечаток большого пальца, который прикрепляется к коже головы.
Он работает как миниатюрная вышка сотовой связи, используя сетевой протокол для координации сигналов от нейронов, каждый из которых имеет свой собственный сетевой адрес. Пластырь также является источником питания для "нейрозёрен".
"Эта работа была настоящей междисциплинарной задачей, – рассказывает Цзихунь Ли (Jihun Lee), ведущий автор исследования из Университета Брауна. – Мы должны были объединить знания из области электромагнетизма, радиочастотной связи, схемотехники и нейробиологии, чтобы спроектировать систему "нейрозёрен" и научиться ею управлять".
Затем нужно было убедиться, что система может записывать нейронные сигналы живого мозга. Для этого исследователи поместили 48 "нейрозёрен" в кору головного мозга мыши и успешно записали нейронные сигналы, связанные со спонтанной активностью мозга.
Команда также проверила способность устройства стимулировать мозг крошечными электрическими импульсами, которые могут активировать нервную активность. Стимуляция управляется тем же пластырем – центром координации работы "нейрозёрен".
Размер мозга грызунов ограничивает возможное количество микродатчиков до 48. Но разработчики предполагают, что текущая конфигурация системы может поддерживать до 770 "нейрозёрен".
В конечном счете, команда предполагает масштабирование системы до многих тысяч "нейрозёрен", что обеспечит считывание недостижимой в настоящее время картины мозговой активности.
Также предстоит еще много работы, прежде чем систему можно будет использовать для управления мозгом, но исследователи считают выполненную работу ключевым шагом в этом направлении.
Ранее мы рассказывали, что чип в мозге впервые в мире преобразовал мысли в речь, и что российские учёные "снимут сны на видео". А еще мы писали, как технология BrainGate помогла парализованным людям управлять планшетом силой мысли.
Больше интересных новостей науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
