Заплатка для мозга

Ученые Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ) показали, что искусственно выращенные клетки головного мозга реагируют на импульсы друг друга. Сейчас идет важный эксперимент: какова чувствительность искусственных нейронов к токсичным веществам.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Лаборатория нейроинженерии и Лаборатория стохастических мультистабильных систем ННГУ им. Лобачевского работают над сопряжением живой нейронной сети и неживых мемристивных устройств. Мемристоры — это система аналоговых элементов с памятью, которая может имитировать функции живых нейронов и синапсов и служить как аналоговой системой обработки информации с нейроноподобной структурой, так и датчиком электрофизиологической активности живых тканей с возможностью одновременного накопления и энергонезависимого хранения информации.

Наномозг на микроблюдечке

Эксперименты в нейробиологии с целью доказать жизнеспособность искусственных нейронов и наличие у них тех же функций, что у настоящих, нижегородские ученые начали еще в 2010 году. Тогда они начали разрабатывать мультиэлектродную матрицу (Multielectrode Arraуs, или MEA система), фиксирующую in vitro активность нейронов в самоорганизующейся неоднородной нейросети. Сегодня они работают с так называемыми нейрогибридными системами, в которых нейроморфные чипы связаны с живыми нервными клетками. Искусственные нейроны они выращивают в силиконовых чипах на микроэлектродных матрицах.

Уникальная структура чипов с микрофлюидными каналами позволяет разделить сеть на две, связанных между собой так, что возникающая в одной сети («источник») биоэлектрическая активность распространяется в другую сеть («приемник»), но не обратно. Таким образом, говорят ученые, удается достигнуть моделирования направленной передачи сигнала между связанными нейронными сетями in vitro аналогично иерархическим связям между различными структурами мозга человека in vivo.

Со стороны матрица выглядит просто. Чип совмещен с микроэлектродной матрицей из 60 электродов, так что можно регистрировать сигнал с нейронов в обеих сетях с высоким временным разрешением и подавать электрические стимулы в выделенный участок нейронной сети, вызывая ответ в виде пачки импульсов, генерируемой некоторым подмножеством нейронов сети. Однако протекающие внутри процессы сложны.

Сопряжение такой живой нейронной сети с искусственной мемристивной сетью позволяет реализовать адаптивное управление функциональным состоянием живой нейронной сети. Так, при фактическом нарушении связей между двумя нейронными сетями сеть способна классифицировать сигнал с сети-«источника» с выделением паттерна активности, который должен вызвать ответ в сети-«приемнике». Стимуляция сигналом искусственной сети к живой сети «приемника» вызывает ответ сети, подобный тому, что был бы при передаче сигнала из живой сети источника до нарушения связей.

«Такие биосовместимые микроэлектронные системы, наряду с новыми биотехнологиями, могут обеспечить прорыв в области нейропротезирования с важным конкурентным преимуществом,— объясняет профессор ПИМУ Ирина Мухина.— Миниатюрный биоэлектрический сенсор на основе микро- и наноструктур мемристора с возможностью хранения и обработки сигналов различными способами, включая подходы прямой и обратной связи, может служить активным нейроинтерфейсом для интеллектуального контроля и управления нейронными структурами при повреждении живой материи» Иными словами, говорит профессор Мухина, неживой материал может повторить сигнализацию живого! И помочь живой системе в трудную минуту ее жизнедеятельности.

Ученые не первый год изучают различные возможности искусственных нейронов в пробирках. Сейчас в лабораториях университета (ПИМУ) идут эксперименты с целью оценки способности диссоциированных, то есть отдельных искусственных клеток головного мозга на чипе определять токсичные вещества в окружающей среде. «Они должны вырабатывать иммунитет к ним. Этот эксперимент проводится для того, чтобы выявлять в воздухе нейротоксичные вещества неизвестного происхождения»,— поясняет Ирина Мухина.

Нейросеть повышает чувствительность

Данный эксперимент был продолжительным, он начался еще в 2010-х годах, сейчас идут новые научные эксперименты. Готовится его вторая часть, уже на стволовых клетках человека. Пока искусственные нейроны воспроизводят самые примитивные функции, но в будущем новые «человеческие» нейроны могут помочь людям с поражениями головного мозга и центральной нервной системы, в буквальном смысле заменяя отмершие там клетки.

Для этого ученые ПИМУ будут работать над инновационной методикой для выявления лучших лекарственных маршрутов для восстановления людей с нарушениями работы головного мозга, ЦНС и в лечебных процессах от травм. Первые научные испытания уже идут, но пока они ведутся на клетках зародышей мышей. Чтобы разработать аналогичные искусственные нейроны для реабилитации человеческого головного мозга, у человека заберут стволовые клетки.

«Стволовые клетки — это клетки, которые служат основой для регенерации других клеток человеческих тканей и органов. Нейроны мы получим в лабораторной среде известными способами генного перепрограммирования. Следующим шагом будет выращивание из миллиардов клеток нейронной сети, изучение передачи сигналов между ними и взаимодействия друг с другом»,— говорит Ирина Мухина.

Научная разработка может помочь в нейрореабилитации людей, страдающих разными видами деменции, при которой синаптические связи ослабевают или вовсе исчезают. К следующей зиме в лабораториях ПИМУ совершат забор стволовых клеток у больных Альцгеймером и определят, можно ли сформировать новую, персональную, нейросеть из стволовых клеток больного человека. Стволовые клетки поместят в питательную среду, в течение нескольких месяцев ученые будут растить из клеток искусственные нейроны и следить за нанопроцессами.

Создание рукотворных нейросетей могут помочь также больным, страдающим ментальными заболеваниями, и инвалидам, которым руки и ноги заменяют протезы. Иногда при травме и диффузных поражениях часть мозга просто утрачивает свои нейробиологические функции, образуя своеобразный нарост без нейронов. С исчезновением конечностей инвалиды получают протез, который дублирует функции утраченной части, но не дает чувствительности. Клетки головного мозга не регенерируются, и восстановление мозга в отделе, отвечающем за чувствительность конечности, не происходит.

Если же удастся вырастить нейросеть из человеческих стволовых клеток в лабораторных условиях, то отечественная медицина получит новые инструменты в лечении и реабилитации больных нейродегенеративными заболеваниями и инвалидов, считают в Приволжском исследовательском медицинском университете

Анна Героева