Що відбувається у нашому мозку під час перегляду цієї сторінки? Які зони мозку активні, і які нейрони взаємодіють між собою, коли посилають сигнали м’язам?
Зіставлення активності нервових клітин з відповідною поведінкою людини – головне завдання неврологів-розробників, котрі працюють над створенням нейрокомп’ютерних інтерфейсів – НКІ. Подібні технології дають можливість мозку обмінюватися інформацією з електронним пристроєм та надсилати йому відповідні команди. Звучить фантастично, але вже існують НКІ, якими користуються паралізовані люди для керування електронними протезами.
Девайс розпізнає нейронну активність людини та приводить в рух штучну кінцівку. Єдина проблема полягала в тому, що для зчитування активності нейронів паралізованого слід було проводити операції на мозку. Нещодавно вчені розробили методику розшифровки діяльності людського мозку: вони застосували ультразвукову технологію, яка з точністю до 100 мікрометрів роздільної здатності зчитує активність нейронів паралізованого.
Застосування ультразвукової технології – значний прорив у розробці нових НКІ, адже тепер подібними, менш інвазивними девайсами зможе користуватися більша кількість хворих. Перші інвазивні форми втручання у людський мозок, без яких раніше не могли працювати НКІ, змінили життя жертв серйозних неврологічних травм на краще. Не всі паралізовані погоджувалися на встановлення електродів у голові, тому й технологією нейронного інтерфейсу наважувалися скористатися одиниці.
Функціональний ультразвук – чудова альтернатива хірургічному втручанню. Це новий метод зчитування мозкової активності, що не передбачає пошкодження тканин мозку. Ми розширили межі можливого нейромоделювання та були приголомшені результатом. Технологія fUS має великий потенціал. Вона дасть можливість більшій кількості людей жити повноцінним життямСамнер Норман, науковий співробітник лабораторії Андерсена, автор дослідження
Як це працює?
Будь-які форми зчитування активності головного мозку мають недоліки: електроди, які точно відтворюють нейронну діяльність, неможливо імплантувати без складного хірургічного втручання; застосування неінвазивних технологій, як-от функціональної магнітно-резонансної томографії, дозволяє обстежити весь мозок, але вимагає дуже дорогого та громіздкого обладнання. Електроенцефалографія (ЕЕГ) відбувається без хірургічного втручання, але може вимірювати активність тільки за низької роздільної здатності.
Ультразвук генерує імпульси високочастотного звуку і вимірює, як ці звукові коливання впливають на різні тканини людського тіла. Звук рухається по тканинах з різною швидкістю та відбивається на межах між ними. Цей метод зазвичай використовується для отримання зображень плода в матці, а також для іншої діагностичної візуалізації.
Ультразвук може також «чути» внутрішні рухи органів. Наприклад, еритроцити, пришвидшуються, наближаючись до джерела ультразвуку, і навпаки. Вивчення цього феномена дало можливість вченим зафіксувати найдрібніші зміни в кровообігу мозку, які не перевищували й 100 мікрометрів (для порівняння, таку товщину має людська волосина).
Зі зростанням активності мозку посилюється і кровообіг у ньому. Перед дослідниками стояло ключове питання: за наявності технології, яка дозволяє нам отримувати якісні зображення динаміки кровообігу головного мозку протягом тривалого часу, чи маємо ми достатньо інформації для їхньої розшифровки та отримання корисних свідчень про мозкову діяльність?
Автор дослідження Михайло Шапіро дає ствердну відповідь і додає:
Ця технологія створює детальні зображення динаміки нейронних сигналів у зонах, де раніше використання неінвазивних технологій не давало жодних результатів. Ми досягли такого рівня деталізації, котрий наближається до електрофізіології, але із застосуванням значно менш небезпечної процедури
Брали участь у розробці не лише люди. Тварини-примати, котрих навчили рухати кінцівками та очима в певних напрямках після конкретних сигналів, стали частиною експерименту. Ультразвукову технологію застосовувати для вимірювання активності тім’яної частки їхнього мозку, яка відповідає за обробку інформації та реагування на неї. Лабораторія Андерсена раніше вивчала подібні схеми функціонування тім’яної частки, використовуючи засоби електрофізіології. Для перевірки точності ультразвуку, вчені порівняли зображення мозкової діяльності, отримані завдяки fUS, зі старішими електрофізіологічними даними.
Після того команда хотіла побачити, чи можна використати зміни у діяльності мозку, стимульовані нейронною активністю і показані на знімках fUS, для розшифрування намірів примата. Зв’язок між ультразвуковими зображеннями та виконанням певних завдань був закодований в алгоритмі машинного навчання.
Одним із головний завдань було побачити, чи справді ультразвук зміг побачити зв’язок між певними мозковими сигналами та фізичним рухом. Подібна функціональна ультразвукова технологія фіксує ці сигнали з 10-кратною точністю та кращою роздільною здатністю, аніж звичайна МРТ. Результат цього дослідження має вирішальне значення для нового покоління нейрокомп’ютерних інтерфейсів.
«Старіші моделі НКІ працюють на основі даних з електродів, які імплантують у мозок людини, розтинаючи тверду мозкову оболонку – міцну фіброзну мембрану між черепом і мозком. Ультразвукові сигнали, своєю чергою, потрапляють у мозок неінвазивним шляхом. Для них потрібно імплантувати лише невеличке «ультразвукове вікно», і таке хірургічне втручання важко навіть порівняти з імплантацією електродів», – зазначає професор та один з учасників дослідження Річард Андерсен.
Команда дослідників також вивчала технологію з пацієнтами, яким через травматичні ушкодження мозку видалили шматок черепа. Оскільки ультразвукові хвилі можуть безперешкодно проходити через такі “акустичні вікна”, можна вивчити, наскільки добре функціональне ультразвукове дослідження вимірює й розшифровує активність мозку цих людей.
