Интерфейсы мозг-компьютер — устройства, которые когда-нибудь помогут людям с травмами головного или спинного мозга двигаться и нормально общаться. А в далёкой перспективе, вероятно, — сделают возможными множество кажущихся сегодня невероятными вещей: объединение сознаний, что-то вроде телепатии, даже цифровое бессмертие. В основе наиболее перспективных на сегодня моделей такого рода интерфейсов — имплантируемые датчики, регистрирующие электрические сигналы мозга, которые можно использовать для управления компьютерами или роботизированными протезами.
Большинство создаваемых систем (а некоторые уже успешно испытываются на людях) работают с одним или двумя датчиками и считывают сигналы до нескольких сотен нейронов. Однако нейробиологам нужны и устройства, способные собирать данные с гораздо большего числа групп клеток мозга.
Команда исследователей, в которую вошли специалисты Университета Брауна (Brown University), Бейлорского университета (Baylor University) и Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California at San Diego), а также компании Qualcomm, предлагает концептуально новую систему интерфейса мозг-компьютер. Статья о разработке опубликована в Nature Electronics.
Идея заключается в создании скоординированной сети независимых беспроводных нейронных микрочипов, пригодных как для записи сигналов, так и для стимуляции мозговой активности. Датчики получили имя — Neurograins — что можно перевести как нейрозёрна или нейрогранулы, они независимо друг от друга регистрируют электрические импульсы нейронов и отсылают данные по беспроводной сети в центральный узел, который их обрабатывает.
После нескольких лет подготовки удалось установить почти полсотни нейрозёрен на мозг грызуна. Это, по словам разработчиков, шаг к системе, которая будет записывать сигналы мозга с невиданной детализацией. А это и лучшее понимание работы мозга, и решение прикладных задач.
«Одна из основных проблем в области интерфейсов мозг-компьютер — разработка метода зондирования как можно большего количества точек в мозге, — говорит старший автор исследования, профессор Арто Нурмикко (Arto Nurmikko). — До сих пор большинство нейроинтерфейсов были монолитными устройствами. Идея нашей команды — разбить монолит на крошечные сенсоры, которые можно было бы распределить по всей коре головного мозга. Именно это мы и смогли продемонстрировать».
Коллектив, разрабатывающий нейрозёрна, сформировался около четырёх лет назад. По словам Нурмикко, с самого начало было понятно, что требуется решить две большие задачи. Первая — максимальное упрощение электроники датчиков, необходимой для обнаружения, усиления и передачи нейронных сигналов. Вторая задача — создание устройства для приёма сигналов крошечных чипов. Сейчас это устройство представляет собой тонкий пластырь размером с отпечаток большого пальца, который прикрепляется к коже головы. Это своего рода миниатюрная вышка сотовой связи, работающая с сигналами нейрозёрен, каждое из которых получает уникальный сетевой адрес. «Пластырь» также обеспечивает питание крайне экономно расходующих энергию чипов по беспроводной сети.
«Эта работа была действительно междисциплинарной задачей, — говорит один из авторов исследования, Чихун Ли (Jihun Lee). — Мы должны были объединить опыт в области электромагнетизма, радиочастотной связи, схемотехники, изготовления чипов и нейробиологии, чтобы спроектировать систему нейрозёрен и управлять ею».
На данном этапе работы было важно показать, что система может записывать нейронные сигналы живого мозга. Команда установила 48 нейрогранул в кору головного мозга грызуна и успешно записала характерные нейронные сигналы, связанные со спонтанной мозговой активностью.
Также была проверена способность системы стимулировать мозг. Стимуляция производилась слабыми электрическими импульсами. Процесс управляется тем же блоком, что координирует нейронную запись. Это прототип устройства, которое, как надеются учёные, когда-нибудь сможет восстановить функции мозга, утраченные из-за болезни или травмы.
Текущая конфигурация системы может поддерживать до 770 нейрогранул. Предполагается масштабирование до многих тысяч чипов, что должно обеспечить получение недостижимой в настоящее время картины мозговой активности.
