Новые мозговые имплантаты размыли грань между человеком и машиной

Как хорошо охраняемая крепость, человеческий мозг атакует злоумышленников в его поле зрения. Посторонние объекты, в том числе нейронные зонды, используемые для изучения и лечения мозга, не могут там долго сохраняться.

Но теперь исследователи разработали зонд, который выглядит, действует и чувствует себя как настоящий нейрон, так что мозг не может идентифицировать «самозванцев». По словам Чарльза М. Либера, этот прорыв «буквально стирает все различия в свойствах между созданными человеком приборами и живыми системами». Они размыли грань между человеком и машиной.

Чарльз Либер, профессор Гарвардского университета, и члены его лаборатории являются авторами новой статьи, опубликованной в Nature Materials, в которой представлен биоинспирированный дизайн для нейронных зондов.

Имплантированные непосредственно в ткани мозга, зонды предназначены для того, чтобы как можно дольше выживать в теплой, влажной и негостеприимной среде органа. Датчики, спрятанные в защитных кожухах, отправляют данные исследователям.

Знание того, как и когда отдельные нейроны срабатывают и нервные цепи обмениваются данными, может дать информацию о том, как лечить неврологические расстройства, такие как болезнь Паркинсона, обратить вспять невральный распад от болезни Альцгеймера и старения или даже улучшить когнитивные способности человека.

Но современные имплантаты не могут обмануть мозг — они вызывают реакцию инородного тела. Большие и жесткие по сравнению с реальными нейронами и нервной тканью, традиционные имплантаты имеют два основных препятствия для постоянного мониторинга.

Во время первоначального помещения в ткани мозга, что обычно требует хирургического вмешательства, нейроны покидают пораженную область. Предыдущие исследования показали, что иммунная система мозга опознает посторонний объект и начинает работать, вызывая воспаление и рубцовую ткань, чтобы изолировать устройство.

Даже если они могут захватывать сигналы за пределами рубцовой ткани, жесткие зонды могут сместить положение и в конечном итоге заменить один нейронный сигнал другим, более близким. Это в конечном итоге сделает записанный сигнал нестабильным.

«Проблема нейронных зондов заключается в том, что они гигантские по сравнению с нейронными мишенями, которые они опрашивают. Но в нашем случае они по сути одинаковы», — говорят ученые. Их зонд имитирует три функции, которые ранее не могли достичь в лаборатории: форму, размер и гибкость действительного нейрона.

Нейроны похожи на головастиков, с круглыми головами и длинными гибкими хвостами. Ученые создали «головку» для размещения металлического записывающего электрода, который соответствует размеру сомоны нейрона (или тела клетки). Провода соединяются через сверхгибкий полимерный «хвост», напоминающий нейрит нейрона. По словам исследователей, их нейроноподобная электроника (NeuE) «в 5–20 раз более гибкая, чем самые гибкие зонды, о которых сообщалось на сегодняшний день».

Ширина типичной нейроновой «головки» примерно равна 20 микрон, а «хвост» может быть в 10-20 раз тоньше. Нейроноподобный электронный прибор, пока является самым маленьким зондом. Для создания своих микроскопических инструментов исследователи использовали фотолитографию, которая использует свет для переноса рисунка на материал и создает четыре различных слоя металла и полимера зонда по одному.

После создания зондов ученые используют шприц для инъекции своих имитаторов клеток в область гиппокампа, выбранную из-за ее центральной роли в обучении, памяти и старении мозга мыши. Там они разворачиваются, чтобы создать пористую сеть, имитирующую скрещивающуюся нейронную сеть мозга.

Зонды позволяют клеткам полностью интегрироваться и занимать менее 1% объема, в который они имплантированы. Начиная с первого дня, нейроны объединяются с искусственной сетью, образуя гармоничный гибрид. Эта ассимиляция объясняет, почему команда ученых достигла стабильного сбора данных даже спустя месяцы после имплантации. Они не потеряли ни одного сигнала нейрона.

«В неожиданном и захватывающем результате», по словам исследователей, новые нейронные сигналы указывают на то, что новорожденные нейроны могут использовать искусственную нейроноподобную электронику в качестве основы, чтобы достичь поврежденных участков мозга и помочь регенерации тканей.

Регенеративное лечение обычно основывается на стволовых клетках, которые помогают мозгу восстанавливаться после повреждения. Но, как и более крупные зонды, трансплантированные стволовые клетки могут вызывать иммунный ответ, что ослабляет их эффективность. Нейроноподобная электроника вместо этого рекрутирует эндогенные стволовые клетки из мозга хозяина и помогает им мигрировать в поврежденную область.

Поскольку они не являются посторонними объектами, иммунная система мозга позволяет им функционировать. Хотя необходимы дальнейшие исследования, нейроноподобная электроника может в конечном итоге предложить безопасную, стабильную альтернативу для лечения неврологических заболеваний, повреждения мозга и даже депрессии и шизофрении, где будет возможно дополнительное преимущество активного мониторинга и модуляции регенерированных нейронных сетей.

В настоящее время ученые работают по нескольким направлениям, включая разработку и изготовление еще более мелких и более гибких зондов, а также исследует потенциал нейроноподобной электроники в качестве активной основы для регенерации нервной ткани in vivo.

Bioinspired neuron-like electronics, Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0292-9 , https://www.nature.com/articles/s41563-019-0292-9