Новые инструменты для "взлома" мозга
До недавнего времени единственный способ получить доступ к трехфунтовому мускульному био-компьютеру между нашими ушами состоял в том, чтобы физически взломать череп или вставить острый предмет в нос.
К счастью для нас, эти примеры медицинского варварства остались в истории. Однако цель взлома черепа для модуляции мозговой деятельности не изменилась. Внутри мозга миллионы нейронов и их миллиарды соединений гудят с электрической активностью, сплетая сложные соединительные узоры, которые приводят к мыслям, поведению и воспоминаниям.
Если у нас есть инструменты для чтения и настройки этих схем, у нас есть ключ к рассмотрению психических расстройств или даже усилению ума.
То, что звучит совершенно неразрешимым всего лишь десять лет назад, теперь возможно. Optogenetics, метод, который позволяет ученым контролировать активность нейронов со светом, успешно имплантировал поддельные воспоминания мышам. Ученые играют с ультразвуком для контроля мозговых цепей. Теперь можно повторить то, что человек видит, основываясь только на своей мозговой деятельности. Интерфейсы "мозг- машина" дали парализованным людям возможность снова ходить. Даже рудиментарная телепатия между людьми - это уже возможно.
Однако для доктора Дивье Чандеру в Стэнфордском университете эти технологии имеют два фундаментальных недостатка, которые ограничивают их трансформационный характер. Во-первых, большинство из них требуют инвазивных имплантатов и операции на открытом мозге. Во-вторых, они часто громоздки и чрезвычайно дороги.
На прошлой неделе на конференции Exponential Medicine университета Singularity в Сан-Диего технологи представили новые неинвазивные устройства, которые стремятся упростить и демократизировать модуляцию мозга. Физическое проникновение сквозь череп может скоро стать еще одним делом прошлого.
Openwater, носимое МРТ
Быть внутри МРТ-машины не является приятным опытом. Вы находитесь в крошечной клаустрофобной камере, окруженной гигантским магнитом, и вам надо лежать очень тихо, когда машина работает.
Тем не менее, современные МРТ являются текущим золотым стандартом для создания изображений вашего мозга с высоким разрешением. Функциональная МРТ, которая отслеживает кровоток - прокси для нейронной активности - также способствовала изучению тонкостей активации мозга в ответ на меняющуюся среду. Но они громоздки и дороги; две трети человечества не имеют доступа к этой технологии.
Д-р Мэри Лу Джепсен, генеральный директор и основатель Openwater, нашел решение в концепции: сжимать машину до размера лыжной шапочки, бюстгальтера или повязки и производить гаджет по стоимости смартфона. Трюк, объясняет она, заключается в том, чтобы отойти от магнитов и вместо этого обратиться к свету.
Человеческое тело полупрозрачно к красному и ближнему инфракрасному свету, позволяя освещать наши ткани, включая как череп, так и мозг. Проблема в том, что свет рассеивается, когда он проходит сквозь ткань, что предотвращает резкое, четкое изображение.
Чтобы снова сфокусировать свет, Джепсен обратилась к голограммам. «Голография регистрирует интенсивность света и фазу световых волн», - объяснила она. Поскольку он фиксирует все световые лучи и фотоны во всех положениях и углах одновременно, голограмма может быть использована для перенаправления световых лучей в один поток света.
Во время сканирования устройство сначала снимает фокусированные ультразвуковые волны на участке ткани. Затем идет красный свет, который слегка меняет цвет на оранжевый, когда он проходит через «звуковое пятно».
Затем исследователь сопоставляет этот выходной оранжевый свет с другим диском аналогичного оранжевого света, чтобы сформировать голограмму. «Голограммы могут быть сделаны только из двух лучей того же цвета», - объяснила она. Затем полученную голограмму записывают на микросхему камеры.
Результат? Весь красный свет отфильтровывается, так что установка только фиксирует информацию об этом конкретном звуковом пятне. Участок за участком, устройство может изображать весь мозг.
В настоящее время Openwater строит прототип, и Джепсен особенно волнует его тестирование на болезнях мозга. Поскольку кровь поглощает красный свет, это особенно привлекательная цель для изображения. Опухоли часто несут в пять раз больше крови, чем нормальные ткани, заставляя их проявляться под красным светом; в отличие от этого, инсульт ограничивает кровоток, который позволяет ткани, лишенные крови, проявляться в виде темного пятна при сканировании.
Теоретически устройство может даже отслеживать нейронную активность. Ученые уже давно используют повышенный оксигенированный кровоток в качестве прокси для нейронной активации. Новое устройство может отслеживать те же изменения со светом.
Носимый Интерфейс Мозг-Машина
Протезы, управляемые разумом, прошли долгий путь, но большинству все еще требуются имплантированные электроды, чтобы точно фиксировать намерения движения.
Еще в 2012 году д-р Эрик Лейртардт, нейрохирург в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, начал экспериментировать с методами захвата инструкций движения мозга с использованием носимых устройств.
В частности, он объяснил “я хотел использовать эти нейротехнологии, чтобы соединить наш ум и исцелить наш мозг в условиях инсульта, сосредоточив внимание на пациентах, которые потеряли контроль над функциями рук после атаки.”
Суть системы - это своеобразные электрические отпечатки пальцев в области мозга, премоторной коры. Эта область планирует движения—либо реальные, либо воображаемые—и сигналы впоследствии отправляются в моторную кору на другой стороне мозга и выполняются.
Лейтардт обнаружил, что, используя колпачок, встроенный в электроды, он мог надежно подобрать низкочастотные сигналы, генерируемые премоторной корой. Эти «планирующие» сигналы затем отправляются в алгоритм машинного обучения для анализа предполагаемого движения. Наконец, результаты расчета используются для контроля протеза для осуществления движения.
С помощью обучения пациенты, перенесшие инсульт, смогли использовать свой ум, чтобы поднять шарик и поместить его в чашку—удивительно сложная операция. В конце концов они могли выполнять повседневные задачи своими протезными руками, такие как подтягивание штанов.
”Что так здорово в этой технологии, так это то, что это не лекарство, не требует хирургии, мы просто используем технологию, чтобы собрать силу ваших собственных мыслей, чтобы изменить проводимость и структуру вашего мозга", - сказал Лютардт.
Другой из инновационных устройств Лютардта, стимулятор уравновешенности, стремится нарушить негативные модели мышления при психических расстройствах, таких как депрессия.
При депрессии, различные схемы мозга показывают дисбаланс в активации. Один из способов потенциального лечения симптомов-восстановить этот баланс. Ученые смотрят на блуждающий нерв - два спагетти-подобных нерва, которые проходят вдоль шеи и иннервируют все тело—как потенциальную цель. Предыдущие стимуляторы являются чрезвычайно громоздкими и они должны быть имплантированы под кожей, что делает их непрактичными.
eQuility использует ветвь блуждающего нерва, которая змеится к уху. Укладка электрического стимулятора внутри гарнитура, носки могут модулировать активность блуждающего нерва напрямую от уха.
В конечном счете, мы, возможно, приближаемся к еще одной вехе в модуляции мозга: той, которая демократизирует технологии, позволяя большему количеству людей манипулировать их мозговой активностью, не попадая под нож.