АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Мозговой имплантат

Мозгово́й импланта́т — технологическое устройство, которое подключается непосредственно к мозгу биологического субъекта. Обычно размещается на поверхности мозга или прикрепляется к коре. Общая цель современных мозговых имплантатов и основное направление текущих исследований — создание биомедицинского протеза для участков мозга, которые стали нефункциональными после инсульта или других травм головы[1], в том числе для замещения органов чувств, например, зрения. Другие мозговые имплантаты используются в экспериментах на животных для записи активности мозга в научных целях. Некоторые мозговые имплантаты служат для создания интерфейсов между нейронными системами и компьютерными чипами. Эта работа является частью более широкой области исследований, называемой интерфейсами мозг-компьютер. (Исследования интерфейсов мозг-компьютер также включают такие технологии, как массивы ЭЭГ, которые обеспечивают взаимодействие между мозгом и машиной, но не требуют прямого вживления устройства).

Назначение

Мозговые имплантаты с помощью тока стимулируют, блокируют[2] или регистрируют[3] (или одновременно регистрируют и стимулируют[4]) сигналы от отдельных нейронов или групп нейронов в мозге. Это оказывается возможным, если функциональные связи этих нейронов приблизительно известны. Из-за сложности обработки нейронных сигналов и прочих причин до недавнего времени применение мозговых имплантатов было серьёзно ограничено. Однако достижения в области нейрофизиологии и компьютерных вычислительных мощностей позволили значительно продвинуться в этой области.

Также проводится много исследований по химии поверхности нейронных имплантатов в попытке разработать устройства, которые минимизируют все негативные эффекты, которые активный имплантат может оказывать на мозг, а тело — на функционирование имплантата. Учёные также разрабатывают различные системы доставки имплантов в мозг: например, по венам, что позволит избежать хирургического вмешательства в мозг. Таким образом пациенты смогут получать свои нейронные имплантаты без большого риска припадков, инсультов или постоянных нарушений нервной системы, которые могут быть вызваны операциями на открытом мозге[5].

Исследования

Исследования в области сенсорного замещения значительно продвинулись с 1970 года, особенно в области органов зрения. Благодаря знаниям о работе зрительной системы с успехом применяются глазные имплантаты (часто с некоторыми мозговыми имплантатами или мониторингом). Для слуха используются кохлеарные имплантаты, стимулирующие непосредственно слуховой нерв. Преддверно-улитковый нерв является частью периферической нервной системы, но его интерфейс аналогичен интерфейсу настоящих мозговых имплантатов.

Многочисленные исследования продемонстрировали возможность записи сигналов мозга животных в течение длительного времени. Ещё в 1976 году исследователи из Национальных институтов здравоохранения США под руководством Эдварда Шмидта провели запись потенциалов действия сигналов моторной коры макак-резусов с помощью неподвижных электродов[6]. Запись велась с отдельных нейронов в течение более 30 дней, а с некоторых — в течение более чем трёх лет.

Электроды были изготовлены из чистого иридия и изолированы париленом[7]. Эти же электроды или их производные с использованием тех же биосовместимых электродных материалов в настоящее время используются в лабораториях зрительного протезирования[8], лабораториях, изучающих нейронные основы обучения[9], и в методиках двигательного протезирования[10].

Другие лабораторные группы производят собственные имплантаты, предоставляющие уникальные возможности, недоступные для коммерческих продуктов[11][12][13][14].

Среди достижений: управление мозгом крыс, обезьян с помощью роботизированных рук[15], дистанционное управление с помощью механических устройств обезьянами и людьми[16], дистанционное управление движениями тараканов[17]. В настоящее время несколько групп проводят предварительные исследования по имплантации двигательных протезов человеку. В настоящее время эти исследования ограничены несколькими месяцами из-за длительности срока службы имплантатов.

Также проводится много исследований по химическому составу поверхности нейроимплантатов в попытке разработать продукты, минимизирующие все отрицательные последствия, которые активный имплантат может оказывать на мозг, и наоборот — организм человека — на функционирование имплантата.

Ещё один тип нейронных имплантатов, с которым проводятся эксперименты, — протезы нейронной памяти на кремниевых чипах, которые имитируют обработку сигналов, производимую функционирующими нейронами, что позволяет мозгу создавать долгосрочные воспоминания.

Для имплантатов, в том числе для имплантатов мозга, полностью органические устройства могут быть выгодны, поскольку они могут быть биосовместимыми[18]. Если органические нейроморфные устройства достигнут этого уровня, имплантаты, например, "могут позволить людям управлять экзоскелетами, приводимыми в движение»[18]. Генетически модифицированные нейроны могут подключать внешние компоненты — например, протезы конечностей — к нервам[19].

Ведутся исследования потенциальных имплантатов для доставки лекарств в мозг[20][21].

В 2016 году учёные из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне объявили о разработке крошечных датчиков мозга для использования для наблюдения за пациентами после операций. Датчики тают или растворяются, когда в них больше нет необходимости[22].

В 2020 году учёные из Мельбурнского университета, создавшие в 2016 году компанию Synchron, опубликовали клинические данные, касающиеся открытия Stentrode — устройства, имплантируемого через яремную вену без необходимости открытой операции на мозге. Технология позволила пациентам управлять компьютером с помощью силы мысли. В конечном итоге устройство может помочь в диагностике и лечении целого ряда патологий мозга, таких как эпилепсия и болезнь Паркинсона[23]. В 2023 году исследователи сообщили об отсутствии серьёзных осложнений в течение первого года у всех четырёх пациентов, которые использовали устройство для управления компьютером[24][25].

30 января 2024 года Илон Маск заявил об успешном вживлении чипа Neuralink в мозг человека — им стал 29-летний Нолан Арбо. Нейрочип состоит из нитевидных электродов, которые идут к приёмнику через Bluetooth и позволяют управлять гаджетами[26].

В июне 2025 года в Шанхае была успешно проведена первая в Китае операция по вживлению интерфейса «мозг-компьютер» (BCI) 36-летнему пациенту, лишившемуся всех конечностей 13 лет назад после удара током. Операция стала результатом пятилетней работы учёных из Китайской академии наук и нейрохирургов университетской больницы Хуашань[27].

В культуре

Понятие мозговых имплантатов распространилось в современной культуре с развитием жанра киберпанк, для которого наличие различных внедряемых в головной мозг человека устройств является классикой. Как правило, цель введения таких устройств - улучшение каких-либо параметров организма, обеспечение связи остальных имплантатов или интерфейса между мозгом человека и внешними электронными устройствами.

См. также

Примечания

  1. ↑ Krucoff, Max O.; Rahimpour, Shervin; Slutzky, Marc W.; Edgerton, V. Reggie; Turner, Dennis A. (2016-01-01). “Enhancing Nervous System Recovery through Neurobiologics, Neural Interface Training, and Neurorehabilitation”. Frontiers in Neuroscience. 10: 584. DOI:10.3389/fnins.2016.00584. ISSN 1662-4548. PMC 5186786. PMID 28082858.
  2. ↑ Implantable Device that Blocks Brain Signals Shows Promise in Obesity. Medscape. Дата обращения: 25 августа 2013.
  3. ↑ Kiourti, Asimina; Nikita, Konstantina (2012). “Miniature scalp-implantable antennas for telemetry in the MICS and ISM bands: design, safety considerations and link budget analysis”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 60 (8): 3568—75. Bibcode:2012ITAP...60.3568K. DOI:10.1109/TAP.2012.2201078. S2CID 19236108.
  4. ↑ Mahoney, Patrick Wireless is getting under our skin. Machine Design (21 июня 2007). Дата обращения: 14 августа 2011. Архивировано 4 июня 2008 года.
  5. ↑ Robitzski, Dan This Neural Implant Accesses Your Brain Through the Jugular Vein. Neoscope. Futurism (8 апреля 2019). Дата обращения: 24 ноября 2019.
  6. ↑ Schmidt, E.M.; Bak, M.J.; McIntosh, J.S. (1976). “Long-term chronic recording from cortical neurons”. Experimental Neurology. 52 (3): 496—506. DOI:10.1016/0014-4886(76)90220-X. PMID 821770. S2CID 35740773.
  7. ↑ Cyberkinetics Microelectrode Arrays. Дата обращения: 25 октября 2006. Архивировано 24 марта 2006 года.
  8. ↑ Troyk, Philip; Bak, Martin; Berg, Joshua; Bradley, David; Cogan, Stuart; Erickson, Robert; Kufta, Conrad; McCreery, Douglas; Schmidt, Edward (2003). “A Model for Intracortical Visual Prosthesis Research”. Artificial Organs. 27 (11): 1005—15. DOI:10.1046/j.1525-1594.2003.07308.x. PMID 14616519.
  9. ↑ Blake, David T.; Heiser, Marc A.; Caywood, Matthew; Merzenich, Michael M. (2006). “Experience-Dependent Adult Cortical Plasticity Requires Cognitive Association between Sensation and Reward”. Neuron. 52 (2): 371—81. DOI:10.1016/j.neuron.2006.08.009. PMC 2826987. PMID 17046698.
  10. ↑ Caltech (July 8, 2004). Neuroscientists Demonstrate New Way to Control Prosthetic Device with Brain Signals. Пресс-релиз.
  11. ↑ Laboratory for Integrative Neural Systems | RIKEN. Riken.jp. Дата обращения: 14 августа 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
  12. ↑ Blake Laboratory: Neural basis of behavior. Mcg.edu (16 августа 2007). Дата обращения: 14 августа 2011. Архивировано 28 мая 2010 года.
  13. ↑ Robert H. Wurtz, Ph.D. [NEI Laboratories]. Nei.nih.gov. Дата обращения: 14 августа 2011. Архивировано 27 июля 2011 года.
  14. ↑ Brain Research Institute. Faculty.bri.ucla.edu. Дата обращения: 14 августа 2011. Архивировано 7 октября 2011 года.
  15. ↑ Graham-Rowe, Duncan. Monkey's brain signals control 'third arm', New Scientist (13 октября 2003). Дата обращения: 25 апреля 2008.
  16. ↑ Mishra, Raja. Implant could free power of thought for paralyzed, Boston Globe (9 октября 2004). Дата обращения: 25 апреля 2008.
  17. ↑ Talmadoe, Eric. Japan's latest innovation: a remote-control roach (July 2001). Дата обращения: 25 апреля 2008.
  18. ↑ 1 2 Lego Robot with an Organic 'Brain' Learns to Navigate a Maze (англ.), Scientific American. Дата обращения: 1 февраля 2022.
  19. ↑ Genetically modified neurons could help us connect to implants, New Scientist. Дата обращения: 1 февраля 2022.
  20. ↑ Kaurav, Hemlata; Kapoor, Deepak N (December 2017). “Implantable systems for drug delivery to the brain”. Therapeutic Delivery. 8 (12): 1097—1107. DOI:10.4155/tde-2017-0082. PMID 29125063.
  21. ↑ Tiny implant opens way to deliver drugs deep into the brain (англ.), CTVNews (24 January 2018). Дата обращения: 27 февраля 2023.
  22. ↑ Tiny electronic implants monitor brain injury, then melt away. University of Illinois at Urbana–Champaign (18 января 2016).
  23. ↑ Synchron Launches Trial of Stentrode device in Paralysis patients. Medical Device Network (9 апреля 2019). Дата обращения: 24 ноября 2019.
  24. ↑ New 'thought-controlled' device reads brain activity through the jugular (англ.), livescience.com (12 January 2023). Архивировано 16 февраля 2023 года. Дата обращения: 16 февраля 2023.
  25. ↑ Mitchell, Peter; Lee, Sarah C. M.; Yoo, Peter E.; Morokoff, Andrew; Sharma, Rahul P.; Williams, Daryl L.; MacIsaac, Christopher; Howard, Mark E.; Irving, Lou; Vrljic, Ivan; Williams, Cameron; Bush, Steven; Balabanski, Anna H.; Drummond, Katharine J.; Desmond, Patricia; Weber, Douglas; Denison, Timothy; Mathers, Susan; O’Brien, Terence J.; Mocco, J.; Grayden, David B.; Liebeskind, David S.; Opie, Nicholas L.; Oxley, Thomas J.; Campbell, Bruce C. V. (9 January 2023). “Assessment of Safety of a Fully Implanted Endovascular Brain-Computer Interface for Severe Paralysis in 4 Patients: The Stentrode With Thought-Controlled Digital Switch (SWITCH) Study”. JAMA Neurology. 80 (3): 270—278. DOI:10.1001/jamaneurol.2022.4847. ISSN 2168-6149. PMC 9857731. PMID 36622685. S2CID 255545643.
  26. ↑ Маск сообщил о вживлении первому человеку нейрочипа Neuralink в мозг, РБК (30 января 2023). Дата обращения: 20 февраля 2024.
  27. ↑ Китай представил мозговой имплант лучше аналога от Илона Маска, Газета.Ru (16 июня 2025). Дата обращения: 17 июня 2025.

Литератуа

  • Toward replacement parts for the brain: implantable biomimetic electronics as neural prostheses. — Cambridge, Mass : MIT Press, 2005. — ISBN 978-0262025775.

Ссылки

Категории