Одной из самых распространенных тем, обсуждаемых в научной фантастике, является взаимоотношение человека и машины. Когда речь заходит о роботах, то многие воспринимают их как машин, лишенных воли, души или самосознания. Датчики, код и приводы, объеденные в корпус из композитных материалов, которые в совокупности не являются ни чем иным, как обычным устройством, хоть и крайне продвинутым, целью которого является служение человеку. Может ли робот достичь самосознания, каковы этические рамки жизни роботов и людей и множество других вопросов возникают из этой технологии. Но куда сложнее становиться дискуссия, когда речь идет о совмещении человека и робота путем аугментации тела. Одной из самых выразительных научно-фантастических особенностей видеоигры «Deus Ex» или «Cyberpunk 2077» является возможность совершенствовать свое тело с помощью имплантов и многофункциональных протезов. На каком этапе этого совершенствования человек теряет свою сущность? Это вопрос скорее для философов, нежели для инженеров, которым интересен более практичный вопрос — как получить полный, непрерывный и естественный контроль над имплантами и протезами без лишних проводов и промежуточных устройств. Ученые из Северо-Западного университета (Эванстон, Иллинойс, США) разработали новый LED-имплант, который способен посылать световые сигналы прямо в мозг. Из чего сделан этот имплант, как именно он работает, и где может быть использован? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Создание искусственных связей между мозгом и внешним миром становится возможным благодаря последним достижениям в области нейронауки и нейротехнологий. Создание независимых каналов ввода, минуя типичные сенсорные пути, обеспечивает эффективную связь между мозгом и машиной, позволяя здоровым или людям с сенсорными нарушениями удалённо воспринимать ощущения в расширенной реальности. Фундаментальные вопросы, касающиеся передачи закодированной информации без внешнего ввода и того, может ли искусственный нейронный синтаксис быть осмысленно воспринят мозгом, остаются нерешёнными. Для изучения этих вопросов необходимы надёжные биоинтегрированные нейротехнологии, включающие беспроводную связь в минимально инвазивных имплантируемых форм-факторах, которые могли бы служить функциональными интерфейсами, доставляющими информацию в мозг в режиме реального времени. Существующие и перспективные интерфейсы «мозг-машина» (BMI от brain-machine interface) состоят из сложных устройств, которые нарушают естественное поведение, не обладают специфическими для определенного типа клеток возможностями и испытывают трудности в достижении устойчивой долгосрочной работы в биологических системах.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые разработали полностью имплантируемую беспроводную транскраниальную оптогенетическую платформу для генерации искусственных восприятий посредством пространственно-временно организованной оптогенетической активации среди распределенных областей коры головного мозга у мышей. Эта платформа контрастирует с предыдущими исследованиями, которые подробно изучили обработку искусственных входных сигналов в пределах корковой или подкорковой области мозга на клеточном уровне. Считается, что когнитивное поведение высшего порядка является результатом общемозговой динамики, однако то, как воспринимается распределенная синтетическая активность коры, остается неизвестным. В данном труде генерация синтетических восприятий основана на масштабной последовательной активации коры, где пространственно-временные паттерны активности коры представляют собой подсказки для мышей для принятия решений в парадигме оперантного обучения. Пространственное расстояние между последовательностями активированных областей коры определяет различимость синтезированных восприятий, способствуя воспринимаемому сходству между паттернами активности коры, зафиксированными в поведенческих результатах.

Результаты исследования

Изображение №1

Полностью имплантируемый транскраниальный оптогенетический энкодер представляет собой массив микромасштабных неорганических светодиодов (μ-ILED, 300 × 300 × 90 мкм) с беспроводным питанием и независимым беспроводным управлением в режиме реального времени для шаблонной оптогенетической модуляции нейронной активности. Платформа использует многослойную гибкую печатную плату из медно-полимерного сплава (fPCB от flexible printed circuit board), которая определяет компоновку устройства и служит подложкой для электронных компонентов.

Разработанная конструкция, оптимизированная для транскраниальной модуляции кортикальной активности у мышей, основана на модульной концепции: гибкий оптогенетический дисплей (FOD от flexible optogenetic display) на основе программируемой матрицы μ-ILED и беспроводного модуля управления, физически разделенных, но электрически соединенных посредством набора механически податливых тонких змеевидных дорожек (1a). Конформное покрытие из парилена-С (14 мкм) симметрично инкапсулирует и изолирует электронные компоненты, FOD и змеевидные дорожки от биожидкостной среды in vivo. Дополнительное покрытие из мягкого силиконового эластомера (400 мкм, модуль Юнга: ~60 кПа) создает податливый интерфейс между устройством и тканью. Это покрытие также обеспечивает дополнительную механическую поддержку змеевидных соединений, улучшая их растяжимость и гибкость, тем самым обеспечивая стабильную работу при повторяющихся циклах деформаций, вызванных естественными движениями животного.

Закреплённый на черепе, FOD воздействует на выбранные, пространственно разнесённые группы нейронов коры головного мозга посредством транскраниальной оптогенетической стимуляции. Электронный модуль располагается на уровне поясничного отдела позвоночника животного, используя обширное подкожное пространство для размещения приёмной антенны и электронных компонентов для непрерывного беспроводного питания и динамического независимого управления отдельными μ-ILED-светодиодами в FOD (1b). Беспроводной оптогенетический энкодер использует магнитно-индуктивную передачу энергии между резонансными передающей и приёмной антеннами, работающими в диапазоне промышленных, научных и медицинских радиочастот (ISMRF от industrial, scientific, and medical radio frequency, 13.56 МГц), расположенных вокруг экспериментального корпуса и периметра устройства соответственно.

Видео №1

Видео №2

Сочетание системы на кристалле с технологией ближней беспроводной связи (NFC от near-field communication) и микроконтроллера со специальной прошивкой обеспечивает дистанционное включение/выключение (видео №1) и управление интенсивностью отдельных микросветодиодов (видео №2) с использованием гибридного подхода аналогово-цифрового матричного мультиплексирования (1c) через интерфейс библиотеки MATLAB. Кодированные пространственно-временные паттерны освещения предоставляют мозгу оцифрованную информацию и программируемый уровень интенсивности, обеспечивая дополнительную свободу управления уровнем активации корковых зон. Подобно ранее описанной конструкции, набор керамических конденсаторов (5 x 22 мкФ, ~1.37 мДж при 5 В) с низким внутренним сопротивлением обеспечивает быструю динамику разряда для обеспечения коротких транскраниальных оптических импульсов (например, 2 мс) высокой интенсивности (~70 мВт/мм²) с быстрым восполнением заряда. Интеграция этой технологии с поведенческими системами с открытым исходным кодом (Bpod, Sanworks) формирует основу обобщаемой платформы для динамически реконфигурируемых шаблонов стимуляции, управляемых поведенческими результатами в режиме реального времени. Генерация оцифрованной информации таким образом для индукции перцептивной модуляции может быть дополнительно оценена с помощью различных парадигм оперантного обучения на основе сигналов, где мыши обнаруживают или различают искусственные восприятия для поиска внешних вознаграждений (1c).

Тонкая, подкожно имплантируемая конструкция позволяет применять её в моделях мелких животных (например, мышей, 1d) в качестве полностью имплантируемого устройства, не влияя на их естественное поведение в сложных экспериментальных условиях (1e). Более того, оптимизация геометрии и многослойной конфигурации змеевидных межсоединений с помощью итеративного моделирования обеспечивает надёжную работу без разрушения или усталости материалов компонентов. Оптимизация увеличивает эффективную растяжимость змеевика с 7% (базовая конструкция) до 28% (оптимизированная конструкция). Испытания на циклическое растяжение и изгиб в лабораторных условиях подтверждают эти улучшения, при этом стабильность проводимости повышается с 1000 циклов (базовая конструкция) до как минимум 20 000 циклов (оптимизированная конструкция). Долговечность полученных устройств соответствует практическим требованиям протоколов долгосрочных экспериментов. Общая конструкция позволяет легко адаптировать её к другим экспериментальным моделям, от грызунов до нечеловекообразных приматов.

Изображение №2

Всестороннее понимание транскраниального распространения света через мозг имеет важное значение для оценки биологических последствий оптической нейромодуляции. Более того, потенциальные нецелевые эффекты, не зависящие от опсина, такие как накопление тепла, являются важными факторами, которые необходимо учитывать для предотвращения непреднамеренных изменений нейронной активности. Паразитный нагрев μ-ILED и поглощение света способствуют тепловому стрессу в прилегающих и освещенных областях (2a). Работа нескольких μ-ILED приводит к аддитивным эффектам в пространственно-временной области, что требует дополнительного учета при геометрическом проектировании устройств и параметрах стимуляции в экспериментах.

Эффекты распространения света и тепла можно воспроизвести с помощью трехмерных численных симуляций, использующих комплексную анатомически обоснованную модель, включающую череп, спинномозговую жидкость, ткани головного мозга, материалы устройства и материалы для хирургической имплантации (например, цианоакрилатный клей и стоматологический цемент) (2b). В качестве входных данных для этой модели используется сочетание конститутивных свойств материалов и характеристик производительности μ-ILED (2c).

Корональный срез моделирования методом Монте-Карло профиля проникновения света определяет распределение интенсивности излучения относительно общей системы координат для мозга мыши (2d). Измерения интенсивности света на различных расстояниях до установленного на черепе μ-ILED подтверждают смоделированные профили ослабления (2e). Результаты определяют глубину и объем для оптогенетической активации ChrimsonR (628 нм; пороговое значение интенсивности излучения 1 мВт/мм²) в результате оптической мощности 6.12 мВт, обеспечиваемой одним μ-ILED. Аналогичные моделирования позволяют определить трехмерные профили распространения света для одновременной работы различных комбинаций нескольких μ-ILED. В качестве примера на 2f-2g показаны объемы коактивации и доли перекрытия от 4 μ-ILED (3 в одном столбце и 2 в одной строке) для различных входных значений оптической мощности и пороговых значений облучения (от 0.1 до 1 мВт/мм²). Эти подходы обеспечивают основу для калибровки системы с использованием различных вариантов опсина.

Методы конечно-элементного анализа (FEA от finite element analysis) позволяют выявить динамику генерации и переноса переходного тепла, что дает рекомендации по выбору рабочих параметров (мощность и коэффициент заполнения μ-ILED) для обеспечения того, чтобы максимальное повышение температуры в мозге оставалось в пределах физиологически приемлемого диапазона. Для оптогенетической активации возбуждающих вариантов опсина достаточно импульса длительностью 2 мс для генерации потенциалов действия в стимулируемых нейронах с частотой 20 Гц, что соответствует коэффициенту заполнения 4%. Трехмерное тепловое моделирование с помощью FEA, основанное на этих параметрах освещения, определяет распределение температуры по окружающим структурам при работе одного μ-ILED в течение 0.3 с (20 Гц, 2 мс, 6 импульсов). Результаты показывают максимальное повышение температуры на поверхности черепа и мозга на 0.24 и 0.04 °C соответственно (2h). Мониторинг температуры с использованием специально разработанных тонкопленочных терморезисторов подтверждает смоделированное повышение температуры. Стоматологический цемент, окружающий поверхность контакта, способствует рассеиванию тепла благодаря своей более высокой теплопроводности (~ 0.7 мВт/мм/К) по сравнению с теплопроводностью прилегающих тканей (< 0.6 мВт/мм/К). Результаты также отражают временную динамику распределения температуры (2i).

Видео №3

Видео №4

Пример в трехмерном пространстве включает последовательную активацию нескольких μ-ILED (4 μ-ILED, по 0.3 с каждый, всего 1.2 с), чтобы проиллюстрировать пространственно-временной профиль тепловыделения в интересующих областях (2j). При низкой входной оптической мощности (6.12 мВт) тепловые помехи между несколькими μ-ILED минимальны (2k, видео №3). Простые модификации конструкции устройства, такие как добавление металлического покрытия на обратную сторону FOD, могут улучшить теплоотвод, что может дополнительно снизить тепловую нагрузку на мозг.

Изображение №3

Для оценки возможности генерации искусственного восприятия посредством оцифрованных оптогенетических входных сигналов ученые использовали поведенческую парадигму оперантного обусловливания, в которой животные учатся распознавать искусственные сигналы и совершать соответствующие действия для получения вознаграждения. Используя макроскопические кортикальные градиенты и их функциональную дифференциацию посредством пространственной организации, проводилось систематическое манипулирование нейронной активностью в корковых областях мозга мышей и количественное измерение перцептивные реакции в задачах принятия решений.

Была проведена вирусная трансдукция AAV.hSyn.ChrimsonR.tdT в общей сложности в восемь кортикальных областей, охватывающих четыре различных участка в обоих полушариях, включая моторную кору (AP: +1.5 мм, ML: ±2.0 мм), соматосенсорную кору, охватывающую области конечностей (AP: 0 мм, ML: ±2.0 мм), соматосенсорную кору, соответствующую представлению туловища (AP: -1.5 мм, ML: ±2.0 мм), и зрительную кору (AP: -3.0 мм, ML: ±2.0 мм). Эффективность транскраниальной оптогенетической активации была визуально подтверждена тоническими моторными ответами, вызванными длительной высокочастотной (20 Гц) световой стимуляцией моторной коры.

В парадигме оперантного обусловливания мыши начинали испытания, вставляя мордочку в центральное отверстие. Затем последовательно подавались кортикальные оптогенетические сигналы в четыре из восьми заданных точек, каждая из которых стимулировалась в течение 0.3 с с частотой 20 Гц (6 импульсов с шириной импульса 2 мс). После прекращения стимуляции мыши получали сигнал «вперед», указывающий на то, что они могут выбрать левое или правое отверстие. Если мыши выбирали отверстие, соответствующее схеме стимуляции, они получали каплю сахарозы в качестве вознаграждения, а неправильный выбор приводил к наказанию в виде дуновения воздушного потока (3a).

Мышей обучили различать заданную целевую последовательность в трех задачах с возрастающей сложностью. Самая простая задача требовала различения в условиях отсутствия стимуляции, когда ни один из светодиодов не загорался. После достижения высокого уровня успешности (80%) мыши должны были различать целевую последовательность в сравнении со специфической нецелевой последовательностью. После предварительного обучения на уровнях 1 и 2 мыши получали в испытаниях набор случайно сгенерированных нецелевых последовательностей, требующих различения целевой последовательности из этого набора (3b). Мыши, экспрессирующие ChrimsonR, научились достигать более высоких показателей успешности получения вознаграждения на трех уровнях задач в течение 10 дней, в то время как показатели контрольных мышей, экспрессирующих tdT, оставались на уровне случайного выбора после 20 сессий на каждом уровне задачи (3b). Мыши, экспрессирующие ген ChrimsonR, продемонстрировали повышение эффективности, превышающее случайный уровень, что свидетельствует о надежном восприятии цифровых оптогенетических сигналов как фактора, определяющего процессы принятия решений о локализации вознаграждения.

Из-за неравномерной связности в более широком кортикальном пространстве неизвестно, коррелирует ли большее физическое расстояние между местами стимуляции с различимостью стимулов. Поэтому ученые использовали рандомизированные нецелевые последовательности из задачи уровня 3 для построения пространственной модели расстояния, коррелирующей эффективность различения последовательностей с пространственным расстоянием на кортикальной карте (3c). В данных, собранных от отдельных животных, наблюдались различные распределения успешных и неудачных попыток в зависимости от пространственного расстояния рандомизированной последовательности. Показатель успешности увеличивался по мере увеличения пространственного расстояния нецелевой последовательности от заданной целевой последовательности (3d). Распределение результатов попыток и тенденции в показателе успешности сохранялись на групповом уровне. В отличие от этого, результаты попыток у контрольных животных, экспрессирующих tdT, не были связаны с пространственным расстоянием последовательностей (3e и 3f). Эти результаты предполагают, что пространственное расстояние между последовательными кортикальными активациями может представлять собой «когнитивное расстояние» для различения.

Изображение №4

Чтобы исследовать, распространяются ли правила восприятия на искусственно сгенерированные паттерны кортикальной активации, цифры последовательности (шаг или этап) были рассмотрены как независимые переменные. Случайно сгенерированные нецелевые паттерны были классифицированы на основе стимулированных кортикальных областей для каждой цифры. Например, нецелевые стимуляционные пробы, инициированные стимуляцией моторной коры, были сгруппированы, и был рассчитан общий процент успеха для этих проб (4a). К этой модели были применены гипотезы, основанные на двух принципах перцептивной психологии, рассматривающие вклад каждой цифры в различение восприятия на основе их временной последовательности.

Гипотеза первенства предполагает, что более ранняя стимулированная кортикальная область должна вносить больший вклад в различение восприятия по сравнению с более поздними стимулированными областями (4a). Напротив, гипотеза новизны предполагает, что более поздняя поступающая информация имеет больший вес в процессах принятия решений. Таким образом, гипотеза первенства предсказывает, что результаты будут хуже, если в начале последовательности происходит перекрытие между целевыми и нецелевыми стимулами, тогда как гипотеза новизны предполагает, что результаты будут хуже, если перекрытие происходит в конце последовательности.

В рамках данной парадигмы оперантного обусловливания, при использовании определенных параметров, результаты показали, что перекрытие стимулируемых кортикальных областей между целевой и нецелевой последовательностями на первой цифре приводило к наименьшему проценту успеха, что подтверждает гипотезу первенства (4b). Кроме того, переключение области стимуляции на первой цифре приводило к большей вариативности в эффективности различения сигналов (4c). Поскольку эффективность наиболее сильно варьируется в зависимости от идентичности первой цифры нецелевого стимула, она вносит максимальный вклад в перцептивное различение. Дополнительно, влияние пространственного расстояния на перцептивное различение по-разному модулировалось временной последовательностью. Добавление пространственного расстояния в модель показало, что пространственное расстояние между стимулируемыми областями на первой цифре наиболее сильно коррелирует с поведенческими результатами (4d).

Для дальнейшего изучения полученных наблюдений, соответствующих принципу первенства, ученые разработали задачу на определение сходства. После трех уровней обучения мышам предъявлялась группа зондирующих нецелевых последовательностей, похожих на целевые последовательности. В этой задаче мыши должны были различать целевые последовательности и нецелевую последовательность со сходством от 50% до 75% (2-3 перекрывающиеся цифры). Мыши показали значительно лучшие результаты в различении последовательностей со сходством 50% по сравнению с последовательностями со сходством 75%. В задаче на определение сходства со сходством 75% была дополнительно проверена гипотеза первенства посредством переключения неперекрывающейся стимуляции между четырьмя цифрами (4e). Мыши различали нецелевую последовательность со сходством 75% на уровне случайного выбора, когда перекрывающаяся стимуляция затрагивала первые 3 цифры. Они показали значительно лучшие результаты в задаче, где перекрывающаяся стимуляция происходила на последних 3 цифрах. Эти результаты демонстрируют, что искусственно сгенерированные кортикальные входные сигналы могут быть настроены таким образом, чтобы следовать некоторым принципам (например, сходству и первенству), установленным в литературе по восприятию.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.20.613966v1.full.pdf и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые охарактеризовали и протестировали созданный ими LED-имплатн, способный передавать оптические сигналы прямо в мозг.

Данное устройство, расположенное под кожей головы на черепе, посылает тщательно контролируемые световые импульсы через кость, активируя определенные группы нейронов в коре головного мозга.

В ходе тестирования ученые использовали крошечные, точно синхронизированные вспышки света для стимуляции целевых популяций нейронов глубоко в мозге мышей. Мыши быстро научились интерпретировать определенные паттерны как значимые сигналы. Даже без звука, зрения или осязания животные использовали поступающую информацию для принятия решений и точного выполнения поведенческих задач.

Как отмечают авторы исследования, разработка этого устройства потребовала переосмысления способа доставки направленной стимуляции в мозг в формате, который был бы одновременно минимально инвазивным и полностью имплантируемым. Интегрировав мягкую, адаптируемую матрицу микро-светодиодов — каждый размером с один человеческий волос — с беспроводным модулем управления, удалось создать систему, которую можно программировать в реальном времени, без необходимости повторного хирургического вмешательства, и без какого-либо измеримого влияния на естественное поведение животных. Это представляет собой значительный шаг вперед в создании устройств, которые могут взаимодействовать с мозгом без необходимости использования обременительных проводов или громоздкого внешнего оборудования. Это ценно как в краткосрочной перспективе для фундаментальных нейробиологических исследований, так и в долгосрочной перспективе для решения проблем со здоровьем у людей.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?