исследования мозга человека 2021
Нейрочип Neuralink: действительно ли мы будем вживлять гаджеты в мозг
Видео презентации
В августе 2020 года Neuralink провела первую презентацию нейрочипа — интерфейса между мозгом и компьютером.
В августе 2020 года Neuralink провела первую презентацию нейрочипа — интерфейса между мозгом и компьютером. А уже в апреле 2021-го ученые показали, как макака играет в видеоигру благодаря импульсам, подаваемым в вживленный в ее мозг чип. РБК Тренды разбираются, как устроена передача сигнала от мозга к машине и почему это важно.
Что такое Neuralink?
Neuralink — это проект Илона Маска, который стартовал в 2016 году. Компания занимается разработкой специального прибора, который способен передавать сигналы мозга по Bluetooth. Это позволит управлять компьютером или смартфоном напрямую, при помощи мозговых импульсов.
Впервые прибор показали в июле 2019-го.
Предполагается, что капсула-приемник будет крепиться за ухом, как слуховой аппарат. От нее к мозгу будут идти нитевидные электроды. Всего в мозг имплантируют до 1500 электродов, каждый из которых в 4 раза тоньше человеческого волоса. Один процессор величиной 4 х 4 мм обрабатывает информацию с 10 тыс. электродов. Кабель USB-C обеспечит максимальную пропускную способность для передачи данных.
Зачем нужен Neuralink?
Главная задача Neuralink — расширить возможности людей, в первую очередь тех, кто страдает неврологическими заболеваниями. По словам Маска, аппарат позволит контролировать гормоны, справляться с тревожностью и даже сможет заставить мозг работать эффективнее. Также чип позволит передавать музыку прямо в мозг. Люди смогут слушать музыку на тех частотах, которые обычно недоступны для нашего слуха, и даже общаться телепатически.
Операция по вживлению нейрочипа будет роботизированной и не сложнее, чем лазерная коррекция зрения, обещают ученые Neuralink. Первые испытания, по словам Маска, уже прошли на крысах и обезьянах и закончились успешно. Чтобы провести тесты на людях, нужно получить разрешения от Министерства здравоохранения США.
Маск делает ставку на то, что расширение возможностей человеческого мозга позволит не только справляться с тяжелыми заболеваниями, но и конкурировать с искусственным интеллектом. Компания пыталась выйти на нейролаборатории России и Китая, но это оказалось невозможным из-за политики и законов США.
Что показали на презентации?
На второй публичной демонстрации Neuralink Илон Маск рассказал подробности о проекте:
Обновленный нейроинтерфейс называется Link. Он выглядит как монета и с 2019 года стал заметно меньше — 23 х 8 мм — и производительнее. Число электродов для передачи информации от нейронов мозга уменьшилось с 3072 до 1024. Это все еще не последняя версия;
Чип вживляется под кожу и подключается к мозгу. Всю операцию совершает робот-хирург, который просверливает отверстие в черепе и подсоединяет электроды. По словам Маска, операция безболезненная и не требует анестезии. Пациент может покинуть клинику в тот же день. После имплантации не остается никаких следов, а владелец не ощущает чип как инородное тело;
В качестве доказательства на презентации показали двух свиней (еще одна осталась за кадром), которые успешно перенесли имплантацию за 2 месяца до мероприятия. На экранах демонстрировали показатели мозговой активности, которые передавали чипы: как свиньи реагируют на окружающие предметы, прикосновения и еду;
Link считывает данные в мозге и соединяется с различными устройствами по Bluetooth на расстоянии до 10 метров. В будущем чип сможет не только считывать, но и записывать информацию: это пригодится для лечения заболеваний;
Чип считывает информацию гораздо быстрее, чем ПК: задержка составляет меньше наносекунды. Это позволит, в том числе, полноценно двигаться людям с ДЦП и симулировать зрение для слепых;
Заряда нейрочипа хватает на весь день, а ночью он заряжается с помощью магнитного устройства, похожего на Apple Watch. Он рассчитан на десятки лет бесперебойной работы;
Более поздние версии будут поддерживать также управление автомобилями Tesla и игры — например, StarCraft;
Цена чипа будет постепенно снижаться — до нескольких тысяч долларов, включая операцию;
Все тесты Маск оценивает как успешные. В июле 2020 года Neuralink получил статус инновационного продукта от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).
Скандал вокруг проекта
За пару дней до презентации в Сети появились неожиданные подробности от одного из бывших сотрудников компании. Он рассказал о конфликте между группой ученых и инженеров.
Главной причиной стали требования Маска ускорить сроки сдачи проекта вопреки всем ограничениям. В итоге тогда проект покинули 6 из 8 научных сотрудников.
Ситуация обострилась из-за неудачных экспериментов над животными. Среди них — подключение 10 тыс. микроэлектродов к мозгу живой овцы и операция на мозге обезьяны. Оба эксперимента проводили с огромным риском для жизни подопытных.
В ответ Neuralink выложила видео, в котором компания показала условия содержания животных и рассказала, что заботится о них и соблюдает все требования.
Что говорят скептики
Пока что рассуждать о достоинствах и недостатках технологии рано: чип еще не испытывали на живом человеке.
Ученые отметили, что новая версия микрочипа заметно лучше предыдущей — и по техническим характеристикам, и по возможностям. Они рассчитывают, что микрочип поможет считывать электроволны мозга и лучше понимать природу неврологических заболеваний.
С другой стороны, на создание окончательной версии подобного устройства может уйти гораздо больше времени, чем обещают в компании Маска. Человеческий мозг устроен очень сложно, и любое некорректное вмешательство может ему навредить. Чтобы расшифровать всю информацию, которую передает наш мозг, нужно гораздо больше знаний о нем — и это главная проблема.
Назвать все это технологической революцией тоже сложно: аналоги нейрочипов вживляют уже десятки лет — например, пациентам с болезнью Паркинсона или травмами позвоночника.
Нейрочип вместо джойстика
9 апреля 2021 года Neuralink показала видео с макакой, которая играет в видеоигру при помощи вживленного в ее мозг чипа:
Чип, вживленный девятилетней макаке Пейджеру за 6 недель до этого, подключили к игровой приставке. Сначала Пейджер играл при помощи джойстика, загоняя объект в оранжевый квадрат. Потом исследователи убрали джойстик и откалибровали нейрочип. Они начали подавать на игровое устройство сигнал, смоделированный по данным, которые поступают из мозга через чип. При этом отсутствовала разница, то есть с помощью чипа — буквально силой мысли — можно управлять объектами. Чип также работает в связке с iPhone по Bluetooth.
Однако научным прорывом это назвать нельзя. Игру в «Понг» силой мысли показали еще 10 лет назад, а 6 лет назад удалось добиться, чтобы парализованный человек управлял протезом при помощи мозга:
Никаких научных данных об исследованиях и эксперименте Neuralink не публикует.
Главная заслуга компании — в том, что команде удалось сделать чип малоинвазивным и создать полностью беспроводной интерфейс. Илон Маск обещает, что до конца 2021 года Neuralink перейдет к испытаниям на людях.
Что еще можно подключить к мозгу?
Ученые и биотехнологи давно разрабатывают протезы, которые бы могли заменить отдельные участки мозга. Это необходимо при инсультах или заболеваниях мозга — таких как рассеянный склероз, деменция, болезнь Альцгеймера или Паркинсона.
Итог этих разработок — нейропротезы двух типов:
Впервые подобный протез представил в 2012-м невролог Теодор Бергер из США. Правда, испытания проводились только на крысах.
Самый простой протез, который взаимодействует с мозгом — это слуховой аппарат с имплантом, который используют с 1960-х годов. Он использует нейронные связи между ухом и мозгом.
Еще одно важное направление — создание нейропротезов, которые помогут создать новые нейронные связи вместо утраченных. Они посылают нужные сигналы и тренируют мозг, — как тренируют человека, который заново учится ходить после травмы. Это помогает и при тяжелых болезнях, и при проблемах с памятью.
Есть отдельные случаи того, как пациентам вживляли нейроинтерфейсы — или их прототипы — чтобы компенсировать утраченные функции:
Например, 53-летняя парализованная американка, которая, с помощью имплантов в мозге, научилась управлять роботизированной кроватью.
Испанец Нил Харбиссон утратил способность различать цвета. Ему вживили специальную камеру, преобразующую цвет в звук и отправляющую информацию во внутреннее ухо
Американец Натан Коупленд получил серьезную травму позвоночника. С помощью нейрочипа он научился управлять искусственной рукой и даже протянул ее Бараку Обаме на встрече.
Однако все это единичные примеры, и в массовое производство такие интерфейсы не поступали.
Недавно ученые открыли биосинтетический материал, который можно вживлять в мозг человека, чтобы соединить его с искусственным интеллектом. В отличие от многих других, он не отторгается тканями и не оставляет видимых повреждений. Возможно, именно его будут использовать для будущих «киборгов».
На создание действующих нейроимплантов, которые помогут восстанавливать поврежденные участки мозга, ученые отводят еще около 10 лет. Зато импланты, которые используют и расширяют возможности здорового мозга, как мы видим, уже есть. Возможно, с их помощью совсем скоро мы будем управлять не только компьютером или смартфоном, но и всеми устройствами вокруг нас.
О чем ты думаешь: удивительные способности мозга, открытые недавно
Ученые из Центра терапии мозговых цепей Университета Бригама Янга в США выяснили, что в мозге есть отдел, отвечающий за любовь, духовность, религиозность и альтруизм. Он располагается в периакведуктальном сером (PAG).
В ходе исследования специалисты изучили результаты тестов 80 пациентов с опухолью мозга, которые прошли их до и после операции. Так ученые поняли, что все дело в наиболее консервативной части ствола мозга – в PAG.
Мозг – это самая загадочная часть человеческого организма. Исследователи не могут до сих пор раскрыть все его секреты.
Признаки «скрытого сознания» в коме
Ученые из Колумбийского университета выяснили, что, когда человек находится в коме, например, после какой-то травмы, его мозг способен понимать команды, хоть и не может их выполнить.
Женский и мужской мозг работают по-разному
Мозг мужчины также крупнее женского на 10-12%, там больше и связей между полушариями, однако это никак не влияет на уровень интеллекта. Женщины имеют больше связей внутри полушарий.
Исследователям из Медицинской школы Йельского университета удалось опровергнуть идею о том, что после смерти в мозге происходят необратимые изменения. В ходе радикального эксперимента им удалось восстановить активность клеток и кровоток в мозге свиней через десять часов после их убийства. Подобные опыты проводили в СССР.
Таким образом ученые доказали, что клетки умирают не так быстро, как считалось ранее, и даже возможность оживить мертвые клетки. Конечно, ученые не наблюдали у подопытных животных активности, необходимой для полноценного функционирования мозга и проявления сознания. Мозг был клеточно активным, но сказать, что он был в полной мере живым, нельзя.
Самоочищение мозга от токсинов во время сна
Исследователи из Бостонского университета использовали аппарат МРТ для наблюдения за тем, что происходит в мозге человека во время сна, и впервые обнаружили, что спящий мозг ритмично омывается не только насыщенной кислородом кровью, но и спинномозговой жидкостью, которая очищает его от токсичных белков во время отдыха. Волнообразная активность потока спинномозговой жидкости настолько постоянна и предсказуема, что, например, легко определить, спит человек или бодрствует.
1,5 мегабайта на освоение родного языка
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что для овладения родным языком (в данном случае английским) человеческому мозгу требуется «хранилище» для информации, сравнимое по размеру всего с 1,5 мегабайтами компьютерной памяти.
Мозг не дает людям думать о смерти
Каждый хоть раз, наверное, думал про то, что он смертный. В какой-то момент придёт миг, когда его сердце закончит биться, а далее — нескончаемый сон. Но работники израильского Института имени Бар-Илана узнали, что мозг помогает людям не думать об этом.
Мозг, по мнению профессионалов, сравним с машиной времени. Он обращается к предшествующему опыту для пророчества поступков в реальности. Если человеку поочередно продемонстрировать изображение двух апельсинов с неким интервалом, то перед третьей картинкой мозг начнёт предсказывать возникновение ещё одного апельсина.
В ходе эксперимента 12 добровольцев согласились поглядеть сюжеты, где чередовались лица людей с изображениями, связанными с гибелью. С помощью ЭЭГ ученые наблюдали за активностью серого вещества. Всё было прогнозируемо до того времени, пока в числе лиц не начали всплывать лица самих испытуемых. В эти моменты мозг сбился. Он отказывался рассматривать, предсказывать и сравнивать.
Почему? Учёные затрудняются ответить. Однако подразумевают, что это часть инстинкта продолжения рода. Мол, если б наши праотцы очень много думали о гибели, они бы не шли на риск для размножения.
Скорость работы мозга просто астрономическая
Специалисты Массачусетского технологического института выяснили, что наш мозг работает в 8 раз быстрее, нежели считалось ранее. Например, для фиксации зрительного образа ему понадобится всего 13 миллисекунд, а не 100, как считали исследователи до этого.
Заглянуть внутрь живого: как ученые исследуют мозг и зачем
Головной мозг человека, пожалуй, самая малоизученная и загадочная часть организма. Даже несмотря на то, что на его исследования потрачено много усилий, как человеческих, так и материальных ресурсов. Мы знаем, из чего он состоит, как он выглядит и как функционирует. Но резерв, который кроется в недрах ткани в форме грецкого ореха, до сих пор будоражит умы исследователей. Рассказываем о последних исследованиях мозга.
Читайте «Хайтек» в
Новый метод визуализации мозга
Исследователи разработали новую технику, которая позволяет получать микроскопические флуоресцентные изображения в глубине мозга. Он в четыре раза превышает предел, налагаемый рассеиванием света. Флуоресцентная микроскопия часто используется для визуализации молекулярных и клеточных деталей мозга на животных моделях различных заболеваний. Однако до сих пор она ограничивалась небольшими объемами и высокоинвазивными процедурами из-за интенсивного рассеяния света кожей и черепом.
Новый метод — диффузная оптическая визуализация локализации (diffuse optical localization imaging, DOLI). Он использует преимущество спектроскопии в ближней инфракрасной области инфракрасной области (NIR-II) от 1 000 до 1 700 нанометров. Именно оно обеспечивает наменьшее рассеяние света.
Визуализация биологической динамики в невозмущенной среде, глубоко в живом организме, необходима для понимания сложной биологии живых организмов и развития заболеваний.
Трехмерная флуоресцентная микроскопия была проведена полностью неинвазивно с разрешением на уровне капилляров в мозге взрослой мыши, эффективно покрывая поле зрения около 1 сантиметра.
Обеспечение возможности оптических наблюдений с высоким разрешением в глубоких живых тканях представляет собой давнюю цель в области биомедицинской визуализации, отмечают ученые. Новая разработка пригодится для изучения нейронной активности, микроциркуляции, нейрососудистого взаимодействия и нейродегенерации.
Активация нейронов в глубине мозга
Американские ученые из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали новую технику стимуляции мозга с использованием сфокусированного ультразвука, который может включать и выключать определенные типы нейронов в мозге и точно контролировать двигательную активность без имплантации хирургического устройства.
Исследование впервые показало успех ультразвука для глубокой стимуляции нейронов.
Ученые поместили специальную конструкцию, содержащую ионные каналы TRPV1, к генетически отобранным нейронам. Затем они создали небольшой выброс тепла с помощью сфокусированного ультразвука низкой интенсивности к избранным нейронам мозга через носимое устройство. Тепло, всего на несколько градусов выше температуры тела, активировало ионный канал TRPV1. В итоге он действовал как переключатель, включающий или выключающий нейроны.
Неврологические расстройства, такие как болезнь Паркинсона и эпилепсия, имели некоторый успех в лечении с помощью глубокой стимуляции мозга. Проблема в том, что они требуют имплантации хирургического устройства. Новая разработка изменит сам подход к исследованиям в области нейробиологии и откроет новые методы понимания и лечения заболеваний мозга человека.
Фотосинтез, но не у растений, а в мозге
Заблокированные кровеносные сосуды в мозге пациентов, перенесших инсульт, препятствуют попаданию богатой кислородом крови к клеткам. Это, в свою очередь, приводит к серьезным повреждениям. Растения и некоторые микробы производят кислород посредством фотосинтеза. Что, если бы существовал способ активировать его в мозге пациентов? Ученые проделали именно это с клетками и мышами, используя сине-зеленые водоросли и специальные наночастицы в своей демонстрации.
Сине-зеленые водоросли, такие как Synechococcus elongatus, ранее изучались для лечения недостатка кислорода в тканях сердца и опухолях с помощью фотосинтеза. Но видимый свет, необходимый для запуска микробов, не может проникнуть через череп. Да, конечно, ближний инфракрасный свет может проходить сквозь кость, но его недостаточно для непосредственной активации фотосинтеза.
Специальные наночастицы, используемые для визуализации, могут поглощать фотоны ближнего инфракрасного диапазона и излучать видимый свет. Используя их, ученые разработали новый подход, который когда-нибудь можно будет использовать для пациентов с инсультом, объединив S. elongatus, наночастицы и ближний ИК-свет в новой системе нанофотосинтеза.
Исследователи соединили S. elongatus с наночастицами неодима, которые преобразуют проникающий в ткани ИК-свет в видимую длину волны. Именно ее бактерии используют для фотосинтеза. Ученые обнаружили, что подход нанофотосинтеза сокращает количество нейронов, погибших после кислородной и глюкозной депривации. Затем они вводили бактерии и наночастицы мышам с заблокированными церебральными артериями и подвергали мышей воздействию света. Терапия уменьшила количество умирающих нейронов, улучшила двигательную функцию животных и даже помогла новым кровеносным сосудам начать расти.
По данным Всемирной организации здравоохранения, от инсультов ежегодно умирает 5 млн человек во всем мире. Выживают еще миллионы, но они часто остаются с инвалидностью, например, проблемы с речью, глотанием или памятью. Наиболее частой причиной является закупорка кровеносных сосудов в головном мозге, и лучший способ предотвратить необратимое повреждение мозга от этого типа инсульта — как можно скорее растворить или удалить закупорку хирургическим путем. Однако эти параметры работают только в течение короткого промежутка времени после инсульта и могут быть опасными.
Метод нанофотосинтеза решает эту проблему.
Хотя это лекарство все еще находится на стадии тестирования на животных, оно обещает когда-нибудь перейти к клиническим испытаниям на людях, говорят исследователи.
Нейробиологи обнаружили в мозге человека новый вид сигналов
Ученые-нейробиологи обнаружили уникальную форму клеточного обмена в человеческом мозге, которую никогда раньше не видели. Это открытие утверждает, что мозг может быть более мощным органом обработки информации, чем предполагали исследователи. Выводы специалистов опубликованы в журнале Science.
В прошлом году немецкие и греческие ученые сообщили о механизме, с помощью которого новые «плавные» сигналы уникальным образом генерируются во внешних клетках коры головного мозга. Это может обеспечить для отдельных нейронов еще один способ выполнять логические функции. Измеряя электрическую активность участков ткани, иссеченной во время операции у пациентов с эпилепсией, и анализируя их структуру с помощью флуоресцентного микроскопа, неврологи заметили, что отдельные клетки в коре головного мозга используют не только ионы натрия, но и кальций.
Материалы по теме
«Главная проблема — это отсутствие мозга»
Вон отсюда!
Эта комбинация положительно заряженных ионов создала волну напряжения, так называемые потенциалы действия дендритов, вызванные кальцием, или dCaAP. В нейронах сигнал имеет форму волн, которые открывают и закрывают каналы. По ним происходит обмен заряженными частицами — натрием, хлоридом и калием. Этот импульс протекающих ионов обладает потенциалом действия. Нейроны химически управляют этими коммуникациями в конце ветвей, дендритов.
Ученые также вводили в клетки так называемый блокатор натриевых каналов тетродотоксин. Но и при этом обнаруживали сигнал. Только блокировка кальция смогла затормозить процесс. Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы увидеть, как dCaAP работает во всех нейронах и биологических системах. Также ученые намерены выяснить, принадлежит ли тип межклеточного сигнала людям или аналогичные механизмы развились у кого-то еще в животном мире.
В апреле ученые Байройтского университета в Германии заявили о вредном воздействии бытовых вещей на мозг. Они выяснили, что пластификаторы, содержащиеся во многих предметах быта, могут нарушать важные функции человеческого мозга. Статья исследователей опубликована в журнале Communications Biology.