Новости всё Hi-Tech - iCity.life Томск

Воспоминания – один из самых удивительных, потрясающих и в то же время мало изученных результатов работы нейрофизиологических механизмов нашего организма. Ведь каким-то образом комбинация работы крошечных синапсов в нашем мозге и активация с помощью них нейронов позволяет появляться в нашей голове образам тех вещей, которые мы помним. Сумма всех наших воспоминаний делает нас теми, кто мы есть. Они – это мы во всех отношениях. Без них мы бы перестали быть теми, кем мы являемся.

В одном из эпизодов британского научно-фантастического сериала «Черное зеркало» (кто не смотрел – очень рекомендую), рассказывающем о нашем возможном антиутопичном будущем, говорилось о крошечном устройстве, которое имплантируется за ухом человека и наделяет его возможностью не только быстро вспомнить какой-то момент из прошлого, но и «проиграть» этот момент в своей голове в удивительно четких деталях, как фильм на экране перед вашими глазами.

Теодор Бергер, биомедицинский инженер из Университета Южной Калифорнии, не обещает такой уровень возможности возврата к воспоминаниям (что, пожалуй, и к лучшему), но уже долгое время работает над подобными имплантатами памяти. Устройство, имплантируемое прямо в мозг, благодаря особому методу электрической стимуляции отдела мозга способно имитировать функции работы гиппокампа, позволяя формировать воспоминания. Испытания первых модификаций подобного устройства были проведены на лабораторных мышах и обезьянах. По мнению ученого, пришло время к началу проведения теста такого устройства на людях.

Работа устройства Бергера основана на теории о том, как гиппокамп трансформирует кратковременные воспоминания (например, куда вы положили свои ключи) в долговременную память (позже вы можете вспомнить, куда вы их положили). Свои ранние эксперименты ученый проводил на кроликах: сначала наигрывал им определенный звук, а затем дул им в мордочки, заставляя моргнуть. Вскоре он отметил, что после того, как прозвучит звук, кролики начинают моргать даже без воздействия воздушного потока. Бергер решил записать активность гиппокампа в этот момент с помощью энцефалограммы (подключил к голове кролика электроды, считывающие активность мозга) и выяснил, что кролики научились ассоциировать звучащий звук с дальнейшим воздействием на них воздушного потока. Картина энцефалограммы показала, что сигналы в гиппокампе в этот момент изменяются вполне предсказуемым образом.

«Благодаря тренировкам гиппокамп стал активно вовлекаться в процесс модификации схемы подаваемых импульсов (сигналов)», — комментирует Грегори Кларк, бывший ученик Бергера и профессор биомедицинской инженерии из Университета Юты (США).

Сам Бергер дал этой схеме подаваемых импульсов название «пространственно-временного кода». И определяется этот код тем, какие именно нейроны, находящиеся в мозге, принимают участие в передаче сигнала и когда именно эта передача происходит.

«Передача пространственно-временного кода через различные слои гиппокампа со временем превращает его в другой пространственно-временной код. Мы пока не знаем, почему именно, но когда это происходит, то получаемый на выходе пространственно-временной код – это то, что остальная часть мозга способна воспринимать как долговременную память», — объясняет Бергер.

Исходящий код представляет собой воспоминание, которое остальная часть мозга использует в качестве считываемого и понимаемого сигнала. В случае с кроликами – заставляет их моргать после того, как они услышали определенный звук. Со слов Бергера, он смог вывести математическую модель, которая общим образом является правилом поведения для гиппокампа, использующегося для конвертирования кратковременных воспоминаний в долговременные.

С этим общим правилом на руках он создал для лабораторных крыс искусственный гиппокамп. Сначала он научил грызунов выполнять ориентированные на память задачи. Он научил грызунов нажимать на один из двух рядом расположенных маленьких рычажков, а затем раздражал их направленным светом. Через время, когда обученный грызун возвращался к выполнению задания, Бергер учил его нажимать на другой рычажок, противоположный тому, который крыса нажимала изначально. Таким образом демонстрировалось, что грызун запомнил то, что от него требовалось.

В рамках всего времени этих тренировок Бергер и его коллеги записывали распределение сигналов, проходящих через гиппокамп грызунов, и отмечали, что пространственно-временные коды соответствуют воспоминаниям о задаче по нажатию на рычажки. Ученые собрали информацию о поступающих и исходящих из гиппокампа схемах сигналов и на основе этих данных разработали математическую модель, которая смогла бы предсказывать исходящий пространственно-временной код, соответствующий изначально входящему. Позже, когда Бергер ввел в организм обученных нажимать рычажки крысам препарат, блокирующий формирование памяти, он использовал свое устройство для электрической стимуляции мозга со схемой импульсов, соответствующих исходящему пространственно-временному коду, предсказанному его математической моделью. Эксперимент завершился полным успехом. Крысы нажимали правильные рычажки.

«Их мозг обращался к правильному коду, как если бы этот код был создан им самим. Таким вот образом мы научились возвращать воспоминания в мозг», — комментирует Бергер.

Бергер также проверил работоспособность имплантата у макак-резус, восстановив их способность воспроизвести воспоминания из части префронтальной коры головного мозга. Эта область вовлечена в работу исполнительных функций, например, использования воспоминаний для решения новых, ранее не встречавшихся задач. В этом контексте имплантат также показал свою эффективность по улучшению работы памяти обезьян.

Но можно ли аналогичный имплантат использовать на людях и будет ли он работать?

«Всем этим имплантатам, напрямую взаимодействующим с мозгом, придется столкнуться с одной фундаментальной проблемой», — говорит Дастин Тайлер, профессор инженерии Университета Кейс Вестерн Резерв.

«В мозге имеются миллиарды нейронов и триллионы межнейронных соединений (синапсов), которые позволяют им работать сообща. Поэтому попытка найти технологию, которая сможет напрямую взаимодействовать с таким количеством нейронов и объединить их для работы на разумно высоком уровне, представляется крайне сложной задачей».

Если уж кохлеарные имплантаты, симулирующие набор звуковых частот путем стимуляции слухового нерва посредством пары десятков электродов, не могут в конечном итоге идеально имитировать звук, то что тогда говорить о такой более сложной системе, как память. Нужно понимать, что при текущем уровне методов и технологий, с использованием всех этих электродов, ученые еще очень далеки от реальной возможности моделирования воспоминаний. Однако это не остановило новый стартпап, компанию Kernel связаться с Бергером, пригласить его на работу, сделать главой своего научного отдела и профинансировать его исследования.

Изначальной задачей, которую перед собой ставила компания Kernel, являлся выпуск имплантатов Бергера на рынок в качестве медицинских устройств, способных помочь людям, страдающим различными проблемами с памятью. В настоящий момент Бергер проводит клинические испытания своего имплантата на добровольцах и сообщает, что пациенты показывают хорошие результаты в тестах на память. Однако в идеале, согласно исполнительному директору Kernel Брайну Джонсону, Kernel хочет разработать устройства, которые с помощью простой и безопасной операции будут имплантироваться в мозг человека и улучшать человеческие интеллектуальные способности в таких сферах, как внимание, креативность и сосредоточенность.

Конечно же, подобный результат станет новым полем деятельности для различных регулирующих органов и предметом множества споров и вопросов: являются ли эти устройства медицинскими или же обычными потребительскими? И нужно ли нам регулировать их распространение? С позиции организаций здравоохранения подобные устройства, если, помимо прочего, они будут наделены возможностью диагностировать или лечить заболевания или же влиять на структуру и работу функций организма, скорее всего, действительно будут рассматриваться как медицинские. Однако подкожные имплантаты, способные повысить концентрацию человека или его творческий потенциал, скорее всего, смогут избежать строгого надзора регулирующими органами и будут рассматриваться как те же обычные диетические добавки, стимулирующие работу нашего мозга.

Сам Джонсон не прокомментировал, в каком направлении будет работать его компания Kernel и какие в конечном итоге устройства она планирует производить. Вероятнее всего, все будет зависеть от конкретно взятого отдельного имплантата, его функций, сферы применения и потенциальных побочных эффектов. Разумеется, каждое медицинское устройство, как и каждый медицинский препарат, обладают своими побочными эффектами. Сейчас нам остается лишь ждать и надеяться, что эти побочные эффекты будут иметь положительную сторону, а не станут очередным вдохновением для нового леденящего душу эпизода сериала «Черное зеркало».