А. Брюховецкий - Нейроинженерия и нейротехнологии

• NeuroTech (нейротехнологии) – направление разрабатывает и внедряет инструменты для распознавания и управления мозгом и поведением человека, включая нейроморфную инженерию, передовую оптическую визуализацию, интеллектуальные агенты, протезы и роботов;

• NeuroData (нейроданные) – направление создает возможности для науки о мозге с интенсивным использованием данных, интегрируя нейроинформатику, вычислительную нейробиологию и системы машинного обучения для анализа и моделирования наборов данных неврологии любого размера;

• NeuroDiscovery (нейрооткрытия)открывают основные принципы нейронного и коннектомного кодирования, изучают внутренние системы координат мозга и расшифровывают беспрецедентную способность мозга понимать сложные явления;

• NeuroHealth (нейроздоровье)улучшает, восстанавливает и увеличивает нормальную и нарушенную нервную функцию, уделяет особое внимание диагностике, прогнозу и лечению расстройств нервной системы.

Как мы уже отмечали во введении, как самостоятельная научная дисциплина нейроинженерия существует сравнительно недавно, а имеющаяся информация и исследования носят весьма ограниченный характер. Хотя ситуация быстро меняется, и то, что вчера воспринималось как научная фантастика в нейроинженерии, сегодня является рутиной и реальностью современных нейротехнологий. Первые журналы, специализирующиеся на этом направлении (такие, как The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation), появились в 2004 г. Международные конференции при поддержке IEEE начали проходить с 2003 г. под международным брендом Conference on Neural Engineering.

Существует особая точка зрения, что нейроинженерия – это одна из дисциплин современной технической инженерии, основанная на таких научных ответвлениях, как нейрофизиология, клиническая неврология, электротехника, и включающая элементы таких научных дисциплин, как робототехника, кибернетика, компьютерная инженерия, материаловедение и нанотехнологии. Цели нейроинженерии направлены на восстановление и увеличение функций человека через прямое взаимодействие нервной системы с различными электронными и механическими устройствами. Очевидно, что многие современные исследования ориентированы на понимание кодирования и обработки информации в сенсорных и моторных системах, количественной обработки информации, оценки того, как она меняется в патологических состояниях и как этим можно управлять через взаимодействия со внешними искусственными устройствами (Рывкина, 2010; Nuyujukian et al., 2018; Hosman et al., 2019).

Другое понимание термина нейроинженерия – это сугубо медицинское представление этого нового направления в нейронауках. Под клинической нейроинженерией в этом контексте понимаются способы и методы нейровосстановления и нейрореставрации морфологического субстрата головного и спинного мозга человека, осуществляемые во время нейрохирургических операций по тканевой инженерии и малоинвазивных интервенционных вмешательств биоинженерии поврежденной нервной ткани (Honnung et al., 2017; Брюховецкий, Хотимченко, 2018). Через восстановление анатомической и физиологической структуры поврежденного мозга с использованием как живых, так и неживых систем обеспечивается восстановление утерянной функции головного и спинного мозга человека. Эта область клинической нейроинженерии связана с общими тенденциями технологического развития в медицинской науке и обществе, а также с мировым научно-техническим прогрессом и появлением новых технологий и технических устройств нейроуправления и нейрореставрации. Однако правильнее не отделять биоинженерию от технических устройств, сопряженных с мозгом человека. По мнению О. Рывкиной (2017), нейроинженерия является междисциплинарной наукой, которая использует для своих исследований методику и разработки, созданные в клинической и экспериментальной неврологии. Кроме того, она включает элементы кибернетики, компьютерной инженерии, а также материаловедения и нанотехнологий и использует лабораторные приборы, применяемые в этих областях. Нейроинженерия – это новая дисциплина, в которой технические методы и лабораторное оборудование используются для исследования центральной и периферической нервных систем, их функций и управления их реакциями. Чтобы понять суть нервного процесса и научиться восстанавливать утраченную функцию, наука должна научиться фиксировать деятельность нервной системы и стимулировать ее. Современная комплектация лабораторий делает это вполне возможным. Так, микроэлектронные матричные записывающие устройства (MEA) способны одновременно зафиксировать активность множества нейронов, а это дает ученым возможность понять протоколы работы распределенной нейронной сети.

Перед нейроинженерией стоит задача понять фундаментальные механизмы и тонкости клеточной сигнализации и синаптической передачи, что позволит разработать технологии, которые копируют эти механизмы с помощью искусственных устройств и соединяют их с нервной системой на клеточном уровне. Новейшее оборудование для лабораторий позволяет приступить к созданию точных, информативных и биосовместимых нейральных интерфейсов. В последнее время оснащение лабораторий нейроинженерии пополнилось электродами, которые сделаны не из металла, а из углеродных нанотрубок, ориентированных вертикально (VACNF). Углеродные нанотрубки представляют собой электрохимически активные структуры, которые можно объединить в параллельные матрицы с помощью обычных инструментов, основываясь на методах микроинженерии. В отличие от стандартных плоских матриц, нанотрубки способны обеспечивать новые, неплоскостные и высокодифференцированные объемные 3D-структуры, дающие уникальные возможности исследования процессов как вне, так и внутри клетки.

Под термином «нейробиоинженерия» в конце прошлого века сначала понимали исключительно нейроанатомо-морфологические реконструктивные подходы к восстановлению поврежденного мозга нейрохирургическими методами. Затем к биоинженерии стали относить различные имплантации шунтов или портов в желудочковую систему мозга человека. В результате этих несложных операций удавалось восстановить нормальную функцию ликвородинамики головного мозга, осуществлять нормализацию внутричерепного давления, предотвратить возникновение внутренней и внешней гидроцефалии и профилактировать атрофии нервной ткани коры головного мозга. То есть нейробиоинженерия предполагала набор методологических инструментов и медицинских методик по имплантации различных биополимерных устройств в мозг человека в объеме новаторской имплантологии в нейрохирургии. Их установка (имплантация) в головной мозг обеспечивала восстановление нарушенных функций и предотвращение дальнейшего повреждения нервной ткани головного и спинного мозга исключительно нейрохирургическим путем, т.е. с использованием известных или нестандартных реконструктивно-восстановительных нейрохирургических операций. Эти операции предполагали, например, транспозицию (перенос на расстояние) под кожей пациента (животного) собственного сальника на сосудистых связях из брюшной полости к аваскуляризированному (плохо кровоснабжаемому сосудистому) участку поврежденного спинного или головного мозга самого пациента для его реваскуляризации (сосудистого обеспечения) и восстановления нарушенного кровообращения и микроциркуляции в нем. Также под нейробиоинжененерией понимались операции по трансплантации донорского участка нервной ткани или трансплантации различных типов клеток (аутологичных, аллогенных фетальных или ксеногенных) и тканей нервной системы в область повреждения головного и спинного мозга животных и человека. Так, наша научная группа занималась тем, что мы активно моделировали в эксперименте на телятах пересадку куска спинного мозга на сосудистых связях от одного животного – донора другому теленку – реципиенту с использованием операционного микроскопа, микрохирургической техники, микроинструментария и клеточных суспензий (Брюховецкий, 2003, 2010). Исследователи и врачи-экспериментаторы широко использовали разные типы клеточных суспензий для внутритканевого клеточного «обкалывания» трансплантатов донорской нервной ткани на сосудистых связях для повышения их приживляемости и восстановления синапсогенеза в поврежденной центральной нервной системе (ЦНС) и периферической нервной системе (ПНС) (Брюховецкий, 2003, 2010; Брюховецкий, Хотимченко, 2018). Военные врачи в России моделировали на крысах и собаках боевую травму мозга и пытались приживлять в зоны огнестрельного и минно-взрывного повреждения мозга куски гипоталамо-гипофизарного комплекса другого животного и человека (Брюховецкий, 2003). Подобные операции проводились и для целей андрологии, и для восстановления сексуальной дисфункции у человека при тяжелых эндокринных заболеваниях. Нейрохирурги различных учреждений г. Москвы и Санкт-Петербурга широко проводили стереотаксические операции по трансплантации фетальной ткани эмбрионов человека в различные участки головного мозга животных с экспериментальной травмой головного и спинного мозга, у больных эпилепсией и раненых с боевой минно-взрывной и огнестрельной травмой (Брюховецкий и др., 1989). Широко применялась нейротрансплантация при болезни Паркинсона в рамках европейской программы NECTAR в ГУ «НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко» РАМН. Также подобные работы по нейробиоинженерии широко проводились на базе НМИЦ трансплантологии и искусственных органов Минздрава России и Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы в интересах Министерства обороны Российской Федерации под научным руководством акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. В.И. Шумакова.