А. Брюховецкий - Нейроинженерия и нейротехнологии

А. В. Русанов, Ю. С. Балашов, В. А. Скляр (2012) в обзорной статье представили различные разработки интегрированных устройств на основе микроэлектродов и средств микроэлектроники в масштабах микросхем для использования в нейроинженерии и создании имплантов мозга на основе КМОП – набора полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем (англ. CMOS – Complementary symmetry/metal-oxid semiconductor – комплементарная логика на трансзисторах метал-оксид полупроводниках, КМОП). Ими описана методика разработки аналоговых КМОП-схем со сверхнизким потреблением энергии, основанная на использовании массивов микроэлектродов, при создании имплантов мозга. Разработанная КМОП-схема включает подсхемы усиления и мультиплексирования. Приведены результаты экспериментальных исследований эффективности предложенного устройства в обнаружении псевдоспайков и измерении локальных усилений. Показана его эффективность с точки зрения потребления энергии и обеспечиваемого качества измерения входных сигналов. Описаны варианты использования нового устройства в нейроинженерии для построения интерфейсов мозга с компьютером.

Нейротехнологии для нейробиологии, анализа и моделирования мозговых цепей и понимания работы нейронной сети мозга. Очень известный нейроученый в области нейроинженерии Эд Бойден (Ed Boyden) (рис. 21) является нейробиологом-оптогенетиком, адъюнкт-профессором Института исследований мозга Патрика МакГоверна при MIT и пионером еще одного из инновационных нейроинженерных направлений. Ed Boyden разрабатывает оптогенетические инструменты для активации и отключения элементов нейронных цепей с помощью света, трехмерные изготовленные микротехнологическими методами нейронные интерфейсы для контроля и считывания информации о нейронной активности, а также робототехнические методы автоматической записи внутриклеточной нейронной активности и анализа одиночных клеток в живом мозге.

Рис. 21.Проф. Эд Бойден (Ed Boyden) из Института исследований мозга ПатрикаМакГоверна при MIT (Массачусетском технологическом институте)

Он применяет нейротехнологии для анализа и моделирования мозговых цепей и понимания работы нейронной сети мозга, а также делает возможным системное восстановление клеток мозга, поврежденного в результате таких заболеваний, как эпилепсия, болезнь Паркинсона, посттравматическое стрессовое расстройство и хронические боли.

Ed Boyden положил начало отмеченному рядом наград учебному курсу Массачусетского технологического института о принципах нейроинженерии, во время которого слушатели проходили путь от основных принципов контроля и наблюдения за нейронными функциями до стратегий запуска нанотехнологий. Ed Boyden – один из самых центровых специалистов в области современной нейроинженерии и имеет столько должностей и регалий, что обсуждение его подхода в нейроинженерии любым нейроспециалистом будет не очень корректным. Он имеет докторскую степень по нейробиологии Стэндфордского университета за открытие того, как механизмы, используемые для хранения памяти, определяют содержание нового знания. Он имеет более 250 рецензированных работ, действующих или находящихся в процессе рассмотрения патентов, статей. Ed Boyden – доцент биоинженерии и наук о мозге и когнитивных наук, руководитель группы синтетической нейробиологии в MediaLab Массачусетского технологического института. Входил в топ-35 ведущих инноваторов младше 35 лет по версии Technology Review и в топ-20 лучших умов младше 40 лет по версии Discover Magazine, обладатель награды NIH Director’s New Innovator Award, исследовательской премии «За инновации в нейробиологии» Общества нейробиологии США, премии NSF CAREER Award Национального научного фонда США, премии Пола Аллена (Paul Allen Distinguished Investigator Award), Робертсоновской премии для исследователей от Нью-Йоркского фонда стволовых клеток (New York Stem Cell Foundation – Robertson Investigator Award), премии по нейробиологии Университета Северной Каролины (Perl/UNC prize), премии Института инженерии и технологии (IET Harvey Prize). Читал лекции по оптогенетике в Фонде TED («Технология, развлечения, дизайн») и на Всемирном экономическом форуме в Давосе.

Но оптогенетические исследования – не единственное достоинство данного направления нейротехнологий. Некоторыми английскими и российскими учеными в совместном проекте предложена гипотеза о том, что временная корреляция лежит в основе увязки различных визуальных признаков, распознаваемых в разных областях головного мозга (Чик и др., 2008). Описаны методика и содержание теоретических и математических исследований синхронизма осцилляторов на нейронах с интегрирующим возбуждением. Ими рассмотрена математическая модель системы таких осцилляторов и изучено поведение вариантов такой системы. Установлено, что 2 локально связанных осциллятора указанного типа быстро втягиваются в синхронизм за время, пропорциональное логарифму их размеров. Определены параметры, позволяющие управлять скоростью синхронизации. Использованы данные о динамике релаксационных осцилляторов на нейронных сетях с локальным возбуждением и глобальным торможением. На основе этих данных установлено, что глобальное торможение может вызывать десинхронизацию в нейронной сети с осцилляторами на нейронах с интегрирующим возбуждением. Авторами описаны примеры использования синхронных осцилляторов для сегментации изображений (Там же).

Нейротехнологии ускоренного обучения. Одним из научных направлений современной нейроинженерии являются работы по созданию нейротехнологий быстрого (мгновенного) обучения (tainy.net›34225-mgnovennoe-obuchenie-realnost-ili…). Эта нейротехнология пришла в научную нейроинженерию из известного фантастического кинофильма «Матрица». «Я знаю кунг-фу» – эту фразу можно назвать одной из самых запоминающихся в фильме «Матрица» (1999). Нео, персонаж Киану Ривза, произнес ее после того, как знания о боевом искусстве за считаные мгновения загрузились в его мозг посредством футуристического компьютерного разъема в черепе. Сейчас на то, чтобы стать мастером кунг-фу, уйдут тысячи часов практики. Однако существует несколько хитростей, используя которые можно усилить обучающий процесс при помощи технологий. Возможно, в будущем будет совершен серьезный прорыв в нескольких важнейших областях и усвоение навыков и знаний будет происходить с огромной скоростью при помощи внешнего, а также хирургически имплантированного оборудования. По словам Брюса МакНотона (Bruce McNaughton), нейробиолога из канадского Университета в Летбридже, данная концепция не такая фантастическая, какой кажется на первый взгляд. Более того, он считает, что ее реализуют уже в ближайшие несколько столетий через систему замаскированной мозговой тренировки. Обучение – это довольно утомительный процесс. Постоянное повторение упражнений, неважно, математическая это задача или прыжки с шестом, постепенно закрепляется в долгосрочной ментальной и мышечной памяти. Недавно было опубликовано исследование, в котором предполагается, что процесс обучения можно ускорить таким образом, что обучающийся даже не заметит этого. У этой техники есть даже звучное научно-фантастическое название – «декодированная обратная нейрологическая связь». Используя сканер мозга, ученые вели наблюдение за паттернами активности в визуальном кортексе участвующих в эксперименте во время того, как те рассматривали различные ориентации какого-нибудь объекта. Во время многочасовых сессий в течение нескольких дней у участников было лишь одно конкретное ментальное задание – концентрироваться на зеленом диске таким образом, чтобы он начал вырастать в размере; это было назначено паттерном одной из ориентаций. С течением времени у участников стал лучше выходить процесс идентификации этой конкретной ориентации объекта, причем они даже не заметили, что их тренировали этому процессу. Другими словами, они обучились.