В течение почти двух десятилетий профессор электротехники Стэнфордского университета Кришна Шеной и нейробиологи из его лаборатории трансляции нейронных протезов работали над имплантируемыми датчиками мозга, которые позволяют им регистрировать и расшифровывать электрическую активность нейронов, контролирующих движения тела.
Долгосрочная цель: создать протезы, которые люди с ампутированными конечностями и параличи могут контролировать с помощью своих мыслей.
В настоящее время процесс анализа нейронной активности занимает много времени и трудоемок. Но в статье в журнале Neuron Шеной и его команда рассказывают, что они разработали гораздо более простой способ изучения электрической активности мозга. Их результаты могут однажды открыть дверь в новую эру сверхкомпактных, маломощных, потенциально беспроводных сенсоров мозга, которые сделают протезирование с управляемым мышлением более широким использованием.
По сути, команда обошла сегодняшний кропотливый процесс отслеживания активности отдельных нейронов в пользу декодирования нейронной активности в совокупности. Каждый раз, когда нейрон срабатывает, он посылает электрический сигнал, известный как "шип"- к следующему нейрону по линии. Это своего рода межклеточная коммуникация, которая превращает мысли в мышлении в сокращение мышц в других частях тела. "Каждый нейрон имеет свой собственный электрический отпечаток пальца, и нет двух одинаковых," говорит Эрик Траутманн, научный сотрудник лаборатории Шеноя и первый автор статьи. "Мы тратим много времени на изоляцию и изучение активности отдельных нейронов."
Нейробиологи называют этот процесс "спайковая сортировка," и это должно быть сделано для каждого нейрона в каждом эксперименте, усилия, которые отнимают многие тысячи часов исследовательского времени каждый год и будут только занимать больше времени, поскольку ученые создают имплантаты с большим количеством электродов. Действительно, по оценкам исследователей, сенсоры будут иметь 1000 или более электродов – по сравнению со 100 сегодня – и в этот момент нейробиологу потребуется 100 часов или более, чтобы вручную сортировать шипы для каждого эксперимента.
Чтобы записать активность ряда нейронов без сложной сортировки спайков, исследователи заимствовали теорию из статистики, которая подсказывала, как они могут выявить закономерности активности мозга, даже когда несколько нейронов регистрируются на одном электроде. Затем они продемонстрировали свой подход экспериментально. Они использовали новый тип электрода, который был разработан для улавливания сигналов мозга мышей, и адаптировали эту технологию для записи сигналов мозга макак-резусов. Они одновременно записали сотни нейронов и показали, что могут получить точный портрет активности мозга обезьяны без сортировки спайков.
Исследователи полагают, что их работа в конечном итоге приведет к созданию нейронных имплантатов, которые используют более простую электронику для отслеживания большего количества нейронов, чем когда-либо прежде, а также делают это более точно. Ключевым моментом является объединение их сложных новых алгоритмов отбора проб с этими небольшими электродами. До сих пор такие маленькие электроды использовались только для управления простыми устройствами, такими как компьютерная мышь. Но объединение этого оборудования для записи сигналов мозга с алгоритмами выборки создает новые возможности. Исследователи могли бы провести сеть маленьких электродов через большие участки мозга и использовать алгоритмы для выборки большого количества нейронов. Это может предоставить достаточно точную информацию о сигналах мозга, чтобы управлять протезом руки, способным выполнять быстрые и точные движения, такие как бейсбольный мяч или игра на скрипке.
Еще лучше, сказал Траутманн, новые электроды в сочетании с алгоритмами отбора проб должны в конечном итоге иметь возможность регистрировать активность мозга без множества проводов, необходимых сегодня для передачи сигналов от мозга к любому компьютеру, управляющему протезом. Беспроводная связь полностью отвяжет пользователей от громоздких компьютеров, необходимых сегодня для декодирования нейронной активности.
"Это исследование вселяет надежду, поскольку наблюдать за активностью мозга оказалось проще, чем мы изначально ожидали," говорит Шеной, Хонг Сех и Вивиан В.M. Лим профессор инженерных наук и старший автор статьи.