BRAIN — американские военные проникают в глубины мозга

№36(786) 9 — 15 сентября 2016 г. 07 Сентября 2016 4.3

Обама хочет непременно вникнуть в суть болезни Альцгеймера

Военные США проводят исследования, позволяющие воздействовать на нервную систему с точностью в нейрон. На подобные программы тратятся сотни миллионов долларов.

Американская администрация представила проект финансирования в рамках инициативы BRAIN на 2017-й финансовый год. Так, DARPA (Агентство передовых оборонных исследовательских проектов) планирует потратить 118 млн. долл., а разведка в лице IARPA (Агентство передовых исследований в сфере разведки) — 43 млн. на изыскания в области нейробиологии. В 2016-м финансовом году военными декларировался бюджет в 95 млн.

Что же представляет собой инициатива BRAIN, на какие исследования готовы тратить такие колоссальные суммы оборонные ведомства и каких результатов удалось добиться в рамках этих проектов?

Представленная в сентябре 2013 г. президентом Бараком Обамой инициатива BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) нацелена на разработку технологий, позволяющих изучить функционирование клеток мозга, процессы мышления и запоминания, а также смоделировать процессы, происходящие в человеческом мозге.

Сам президент в своем ежегодном послании конгрессу сделал следующее заявление: «Если мы хотим производить лучшие продукты, мы должны инвестировать в лучшие идеи... Каждый доллар, вложенный нами в карту человеческого генома, вернется 140 долларами экономии... Сего-дня наши ученые составляют карту человеческого мозга, чтобы найти ответы на вопросы, связанные с болезнью Альцгеймера. Не время прекращать инвестиции в науку и инновации. Настала пора достичь в науке высот, невиданных с эпохи космической гонки». После этого выступления в изучение функционирования человеческого мозга ежегодно вкладывают сотни миллионов долларов инвестиций — как государственных, так и частных.

Наибольший интерес военных и разведки связан с исследованиями, касающимися расширения возможностей мышления, реабилитации повреждений нервной системы, создания искусственного интеллекта, функционирующего подобно мозгу человека, и разработки эффективных интерфейсов человек — компьютер, позволяющих наладить перевод мыслей человека в цифровую форму и обратно.

Первый проект, рассматриваемый в этой статье, который активно финансирует DARPA, называется ElectRx — Electrical Prescriptions (можно перевести как «электрические воздействия). Он изучает биомедицинские и терапевтические возможности улучшения физического и психического здоровья при помощи точечной, целевой стимуляции периферической нервной системы для использования врожденной способности тела к быстрому и эффективному самоизлечению.

«Нервная система играет жизненно важную роль в поддержании физического и психического здоровья. Сложная сеть чувствительных нервов постоянно отслеживает состояние здоровья и вызывает рефлекторные реакции в головном и спинном мозге, когда обнаруживается инфекция или травма. Эти рефлексы обычно регулируют функции органов для запуска и контроля процесса заживления ран.

Однако некоторые болезни могут нарушить здоровое функционирование этих процессов и создать сигналы нервной системы, вызывающие боль, нарушения обмена веществ, такие как диабет, аутоиммунные заболевания или ревматоидный артрит. DARPA стремится к созданию основополагающей науки и разработке технологий, которые позволят искусственно модулировать периферическую нервную систему для восстановления здоровой сигнализации в этих нейронных цепях, чтобы вылечить болезнь», — характеризует направление исследований руководитель программы доктор Дуглас Вебер.

Самым старым и простым примером концепции исследований служит кардиостимулятор, использующий электрические импульсы для стимуляции сердечного ритма, однако ученые планируют стимулировать таким образом и другие органы.

Кроме вопросов восстановления естественного функционирования нейроцепей, ElectRx будет заниматься разработкой передовых технологий в области биоинтерфейсов, необходимых для мониторинга биомаркеров и активности периферических нервов, а также доставки терапевтических сигналов к периферийным целям нерва. Потенциальные новые подходы программы включают создание естественных, работающих в режиме реального времени биосенсоров и новых нейроинтерфейсов, использующих оптические, акустические, электромагнитные или инженерные стратегии биологии, чтобы добиться точности воздействия с потенциальным разрешением в один аксон.

Для реализации целей программы предприняты следующие шаги.

В DARPA выбрали семь команд исследователей, чтобы начать работу по программе. Им была поставлена задача разработать замкнутую систему, которая лечит заболевания путем модуляции активности периферических нервов. Первоначально команды должны были проводить широкий спектр общих научно-исследовательских работ и добиваться технологических прорывов в поддержку технических целей программы. В конечном итоге программа должна реализовать законченную систему, которая может быть проверена клиническими испытаниями на людях, направленными на устранение таких проблем, как хроническая боль, воспалительные заболевания, посттравматический стресс, и других недугов, не всегда реагирующих на традиционные методы лечения.

Основные направления первой фазы ElectRx — фундаментальные исследования для составления карты нейронных цепей, регулирующих физиологию заболеваний, представляющих интерес для DARPA, и предварительная разработка новейших механизмов, малоинвазивных нейронных и биоинтерфейсных технологий с беспрецедентным уровнем точности, ориентации и масштаба.

Команды собраны из ученых, как имеющих опыт работы с агентством, так и незнакомых с ним. Немаловажно, что у многих исследователей есть связи с медицинским бизнесом для ускорения создания действующих образцов продуктов и вывода их на рынок.

Работа построена таким образом, что каждая команда имеет свой взгляд на исследования и использует уникальные методы для решения поставленных задач.

Так, стартап Circuit Therapeutics (Менло-Парк, Калифорния), созданный сооснователями Карлом Дейссеротом и Скоттом Дельпом, является новым подрядчиком для DARPA. Они планируют развивать свои наработки в экспериментальных оптогенетических методах для лечения невропатической боли и заниматься тестированием на животных, прежде чем переходить к клиническим испытаниям на людях.

Команда Колумбийского университета (Нью-Йорк) во главе с Элизой Конофаго будет проводить фундаментальные исследования с целью внедрения неинвазивного целевого ультразвукового воздействия для нейромодуляции. Ученые стремятся изучить основные механизмы, которые могли бы сделать ультразвук хорошим вариантом хронического воздействия, использующим активацию и ингибирование нервов.

Команда Института неврологии и психического здоровья Флори (Парквилль, Австралия) во главе с Джоном Фернессом впервые сотрудничает с DARPA. Ее члены будут работать над созданием карты нервных путей, которые активируются при воспалении внутренних органов, с акцентом на определение взаимосвязей нейронных схем между моделями животных и человека. Они также будут изучать использование нейростимулирующих технологий, основанных на кохлеарном имплантате — разработке корпорации Cochlear для лечения потери слуха, но адаптированных к модулированию активности блуждающего нерва в ответ на сигналы биологической обратной связи — как возможного способа лечения воспалительных заболеваний.

Ученые из Университета Джона Хопкинса (Балтимор) во главе с Дженде Чен планируют изучение глубинных механизмов воспалительного заболевания органов и влияния крестцовой нервной стимуляции на его развитие. Команда будет применять первый в своем роде подход к визуализации реакции организма на нейромодуляцию на основе животных моделей.

Впечатляющими выглядят исследования ученых из Массачусетского технологического института. Группа во главе с Полиной Аникеевой планирует воздействовать на организм магнитными наночастицами для обеспечения естественной, чрезвычайно точной нейромодуляции путем термической активации нейронов. Цель работы — надпочечники и цепи чревного нерва, управляющие работой надпочечников. Чтобы усилить специфику и свести к минимуму возможные побочные эффекты этого метода стимуляции, группа стремится создать наночастицы с возможностью привязки к нейронным мембранам.

Представители Университета Пердью из Западного Лафайетта, штат Индиана, во главе с Педро Иразоки будут использовать нынешнее сотрудничество с «Сайбертроникс», корпорацией, производящей медицинское оборудование, для изучения воспаления желудочно-кишечного тракта и его способности к стимуляции блуждающего нерва через шею.

Исследователи из Университета Техаса, Даллас, во главе с Робертом Реннакером и Майклом Килгардом изучают стимулирование блуждающего нерва для инициирования нейропластичности и лечения таким образом посттравматического стресса. Планируется, что стимулирование могло бы изменить приобретаемые поведенческие реакции для уменьшения страха и беспокойства.

Несмотря на то что DARPA — военное ведомство, оно использует методы работы, которые создают конкурентную среду, привлекая различные исследовательские группы, малый, средний и крупный бизнес для скорейшего выпуска продуктов на основе проводимых исследований.

По завершении фундаментальных научных исследований ученые должны приступить к их реализации «в железе». Так, наиболее интересной разработкой является прототип «нейронная пыль».

В августе 2016 г. исследовательская группа факультета электротехники и компьютерных наук из Калифорнийского университета в Беркли объявила о выпуске прототипов безопасного беспроводного устройства, достаточно малого, чтобы быть имплантированным в отдельные нервы, способного обнаружить электрическую активность нервов и мышц глубоко внутри тела и использующего ультразвук для соединения, питания и связи. Ученые называют эти устройства «нейронная пыль».

Команда завершила первое, совершенное в естественных условиях, испытание технологии на грызунах.

«Нейронная пыль представляет собой уход от традиционных приемов, связанных с радиоволнами, для беспроводной связи с имплантированными устройствами» — говорит Дуглас Вебер. — Мягкие ткани тела состоят в основном из соленой воды. Звуковые волны свободно проходят через них и могут быть сфокусированы с высокой точностью на необходимых нервных цепях, глубоко внутри нашего тела, в то время как радиоволны — не могут. Именно по этой причине в воде используют гидролокаторы, а радары —для обнаружения объектов в воздухе. При использовании ультразвука — для связи с нейронной пылью датчики можно сделать меньших размеров и помещать их глубже внутри тела — инъекционной иглой или другими нехирургическими методами».

Прототипы нейронной пыли — пылинки имеют размеры 0,8 мм х 3 мм х 1 мм в собранном из коммерчески доступных компонентов виде. Исследователи подсчитали, что с помощью специально созданных компонентов и разработанных процессов они могли бы производить отдельные пылинки размером в 1 куб. мм или меньше, возможно, даже с длиной стороны 100 мкм. Небольшой размер позволит нескольким датчикам размещаться рядом друг с другом, чтобы делать более точные записи нервной активности со многих точек в пределах нерва или группы нервов. И хотя столь малый размер сам по себе достижение, пылинки являются впечатляющим образимом элегантной простоты их схемотехники.

Ученые из США создали микроскопические чипы, способные записывать состояние нервной системы с точностью в нейрон.

Каждый датчик состоит из трех основных частей: пара электродов для измерения нервных сигналов, особый транзистор для усиления сигнала, и пьезоэлектрический кристалл, который имеет двойное назначение и служит для преобразования механической энергии внешне генерируемых ультразвуковых волн в электрическую, для питания чипа и для передачи зарегистрированной нервной активности.

Система нейронной пыли также включает внешнюю плату приемопередатчика, которая использует ультразвук для питания пылинок и общения с ними, испуская импульсы ультразвуковой энергии и прослушивания отраженные импульсы.

Во время тестирования трансиверная плата была расположена примерно в 9 мм от имплантата. Пьезоэлектрический кристалл является ключом к конструкции нервной пыли. Импульсы ультразвуковой энергии, испускаемые из внешней платы, влияют на кристалл. В то время как некоторые из импульсов отражаются обратно к плате, другие заставляют кристалл вибрировать. Эта вибрация преобразует механическую мощность ультразвуковой волны в электрическую, которая подается в транзистор пылинки.

В то же время любое изменение внеклеточного напряжения между двумя записывающими электродами, порожденное нервной активностью, модулирует затвор транзистора, который изменяет ток, протекающий между выводами кристалла. Эти изменения тока меняют вибрации кристалла и интенсивность отраженной ультразвуковой энергии.

Таким образом, форма отраженных ультразвуковых импульсов кодирует электрофизиологические сигналы напряжения, записанные с помощью имплантированных электродов. Эти сигналы могут быть восстановлены вне организма электроникой, присоединенной к приемопередающей плате для интерпретации нервной активности.

«Одной из наиболее привлекательных особенностей датчиков нейронной пыли является то, что они полностью пассивны. Поскольку нет никаких заменяемых батарей, нет необходимости в дальнейших операциях после первоначальной имплантации.» — говорит об этом Вебер. Еще одно преимущество системы — ультразвук безопасен в теле человека; ультразвуковые технологии уже давно используются в диагностических и терапевтических целях.

Большинство существующих беспроводных датчиков для периферийной нервной системы используют электромагнитную энергию в виде радиоволн для сопряжения и связи, но такие системы становятся неэффективными при использовании датчиков размером менее 5 мм. Чтобы работать в меньших масштабах, эти системы должны увеличивать производство энергии, но большая часть этой энергии поглощается окружающими тканями.

Ультразвук имеет преимущество, проникая глубже в ткани на более низких уровнях мощности, что снижает риск побочных эффектов, при этом обеспечивая превосходное пространственное разрешение. Данная концепция показала свою состоятельность еще на первом этапе программы ElectRx.

Хотя эти прототипы в настоящее время проходят испытания на мышах, учитывая методы работы DARPA, можно не сомневаться в скорейшем переходе к клиническим испытаниям, выходу готовых коммерческих образцов. Они позволят проводить мониторинг нервной активности, на раннем этапе выявлять источники воспаления и возникновения боли. Что в свою очередь будет влиять на очаги заболеваний.

Инициатива BRAIN и проекты, финансируемые DARPA, не заканчиваются на программе ElectRx, одни только военные реализуют значительное число исследований, касающихся разных частей нервной системы. Цели, поставленные перед учеными, предполагают создание действующих технологий уже к 2020 году.

Результаты исследований будут иметь не только мирный характер, выраженный в возможности быстрой реабилитации ветеранов боевых действий, людей, страдающих расстройствами нервной системы, но и смогут стать образцами высокотехнологичных вооружений, действующих тонко и направленных на тихое уничтожение противника посредством незаметного влияния на нервную систему.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

Обманывать вкладчиков запрещено

Верховная Рада приняла два закона, которые напрямую касаются защиты прав вкладчиков

Полонина в огне

С начала 2016 г. в Ивано-Франковской области возникло шесть чрезвычайных ситуаций...

Стратегические издержки пыток: как Америка...

Страх способен подвигнуть политиков к готовности задействовать порой даже самые...

Швейцарская тюрьма установит защиту от дронов

Тюрьма швейцарского города Ленцбург (кантон Аргау) намерена потратить 200 000 франков на...

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Блоги

Авторские колонки

Ошибка