А. Брюховецкий - Нейроинженерия и нейротехнологии

Современные исследования с использованием МРТ показали, что гиппокамп играет важную роль в процессе запоминания, и имеются доказательства, что именно гиппокамп имеет определяющую роль в поиске кратчайших путей и прокладке маршрутов между уже хорошо известными местами. К примеру, таксистам из Лондона необходимо знать большое количество мест и наиболее коротких путей между ними. Исследование одного из университетов Лондона в 2003 г. показало, что гиппокамп у таксистов больше, чем у большинства людей, и что наиболее опытные таксисты имеют больший гиппокамп, чем таксисты, не имеющие большого опыта. Томография мозга показывает, что гиппокамп наиболее активен у людей во время успешного перемещения в пространстве, и те же пространственные клетки у человека задействованы в поиске пути во время навигации по виртуальным городам. Поэтому попытка создания искусственного гиппокампа и его имплантация – это больше претензия на прорыв в наших научных представлениях и в доказательстве локализации памяти в данном анатомическом образовании. Это важно еще и потому, что установлено, что память бывает двух типов: кратковременная – сохраняющаяся лишь до тех пор, пока мы удерживаем внимание на объекте, и локализующаяся в префронтальной коре – долговременная. Последняя, в свою очередь, делится на сознательную, или декларативную, память о событиях, фактах, ощущениях и бессознательную, имплицитную, или процедурную, память (например, о двигательных навыках). Установлено, что во сне происходит закрепление обоих типов долговременной памяти, причем декларативная память закрепляется в фазе медленного сна, а процедурная – в фазе быстрого сна. Запоминание во время медленного сна – процесс активный, требующий работы гиппокампа. Гиппокамп получает также входы от зрительной, обонятельной и слуховой систем. Грубо говоря, на него можно смотреть как на черный ящик со множеством входов и выходов. Разные входные комбинации сигналов приводят к тем или иным выходным комбинациям.

Теодор Бергер, директор и руководитель проекта Центра нейроинженерии Университета Южной Калифорнии, пришел к парадоксальному выводу, что работу гиппокампа можно воспроизвести в микросхеме. Нейроны, идущие на вход гиппокампа, ученые стимулировали беспорядочными сигналами, выдаваемыми компьютером, имитируя разнообразие информации, приходящей извне. Исследователи фиксировали ответные сигналы. Эта работа шла далеко не один год. Наконец компьютер смог вычислить все математические функции, которые гиппокамп крысы осуществлял с нейросигналами. Они создали микросхему, которая воспроизводила работу гиппокампа крысы с точностью 95%. Какое эта схема проф. Т. Бергера имеет отношение к памяти, не очень понятно, но то, что эта схема позволяет моделировать функции маршрутизатора и коммутатора, несомненно.

Далее T. Berger участвовал в разработке аналога сверхбольшой интегральной микросхемы – СБИМС (VLSI) экспериментальных моделей нейронов гиппокампа и нейронных сетей как для фундаментальных исследований, так и для прикладных программ. Он исследовал применение математических методов на биологической основе функциональных свойств гиппокампа, суммируя экспериментальные исследования фундаментальных электрофизиологических свойств нейронов гиппокампа. Насколько важны и актуальны эти исследования, судить трудно. Наверное, очень важны; если считать, что память человека как основная функция мозга действительно расположена в гиппокампе, тогда актуальность этих исследований огромна. Однако роль гиппокампа в процессах памяти еще точно не установлена. Реальных доказательств роли гиппокампа как вместилища долговременной памяти не существует. Все данные о том, что память сосредоточена в структурах гиппокампа, основаны все-таки на устаревших экспериментальных исследованиях прошлого века, проводимых Карлом Прибрамом, но они не имеют современного научного подтверждения. До настоящего времени, спустя 10 лет после этих разработок, так и не появилось реальных доказательств того, что ученые действительно смогли спротезировать память у крыс и человека. Поэтому сложно понять, что именно протезировал T. Berger; остается достаточно неясным и почему спустя 10 лет после этих выдающихся работ мы ничего не знаем об этих высокотехнологичных достижениях и они так и не внедрены в практику неврологической клиники до настоящего времени. А ведь больных с нарушениями памяти в любой неврологической клинике более двух третей.

Другое исследование израильских ученых поставило целью создание нейротехнологии, протезирующей функцию мозжечка человека. Мозжечок считается одной из наиболее изученных частей головного мозга. Изученной настолько хорошо, что недавно был даже создан и продемонстрирован в действии первый простейший чип – компьютерный аналог естественного мозжечка. Эксперимент был поставлен командой израильских ученых под руководством проф. М. Минца из Университета Тель-Авива. Полностью парализованную белую крысу заново научили моргать с помощью электродов, вживленных на место разрушенного мозжечка. Импульсы от неповрежденных отделов мозга грызуна поступали в ходе опыта на микроскопический компьютерный чип. Тот, в свою очередь, расшифровывал их и передавал дальше – центральной нервной системе животного. Устройство, продемонстрированное в Израиле, представляет собой пока что самую примитивную из возможных конструкцию такого рода. Однако впоследствии проф. М. Минц предполагает «обучить» микрочип распознаванию и других сигналов мозга, чтобы расширить его функциональность.

Группа исследователей под руководством Питера Фромхерца из Отделения мембран и нейрофизики (Department of Membrane and Neurophysics) Института биохимии Макса Планка тоже впервые соединила фрагмент живой ткани мозга с микрочипом. Биологи пересадили тончайший срез гиппокампа крысы на поверхность специального чипа. Известно, что в процессе запоминания и хранения информации у млекопитающих принимает участие несколько отделов головного мозга. При этом считается, что перед тем как информация попадает на долговременное хранение, она предварительно «записывается» в гиппокампе. Однако этот, как и другие традиционные методы имеют много недостатков – они требуют вмешательства (зачастую достаточно грубого, нарушающего нормальную работу мозга), ограничены небольшим количеством клеток и страдают малым разрешением. Регистрация активности большого числа клеток мозга млекопитающих стала возможной при применении чипов высокой плотности, разработанных в компании Infineon Technologies. Ученым из Мартинсрида удалось разработать «революционный подход к изучению мозга», позволяющий регистрировать активность и взаимодействие тысяч нервных клеток в срезе тканей мозга. Работа считается реальным научным прорывом в области создания связей нервной системы с микрочипами. Ранее доступные нейрофизиологам методы ограничивались небольшим количеством нейронов. Регистрирующие же активность нервных клеток чипы, разработанные в сотрудничестве с компанией Infineon Technologies AG, отличаются, в свою очередь, очень высокой плотностью, эквивалентной 16 384 транзисторам на площади в 1 мм 2. Возможность осуществлять запись интегрированной активности целостного интактного фрагмента мозга млекопитающих представляет собой действительно значительный технологический прорыв. Используя новый метод, группа Питера Фромхерца смогла визуализировать влияние фармацевтических препаратов на нейронную сеть. Это говорит о возможности использования данного метода в качестве новой тест-системы для исследований мозга и в фармакологии. Последним результатам работы группы ученых из Германии предшествовали эксперименты с использованием «самодельных» чипов относительно малой плотности. С их помощью сначала регистрировались сигналы отдельных нервных клеток пиявок, а затем небольших групп нейронов моллюсков. Разработка гибридной системы, интегрирующей нервную ткань и полупроводниковое устройство, может означать огромный скачок в работах по протезированию поврежденного мозга и созданию нейрокомпьютеров.