homuncul

Прорывные нейротехнологии -- у военных

Программа N3 агентства DARPA, объявленная в 2018 году, определенно заслуживает пристального внимания. Как со стороны ученых в области нейронаук, так и со стороны тех, кто хочет (или по должности обязан) знать, какие технологии и возможности будут доступны в горизонте 10-15 лет.

Программа звучит как «Нехирургическая нейротехнология следующего поколения». Цель -- разработка неинвазивных ИМК высокого разрешения, которые обеспечат быстрое, эффективное и интуитивное взаимодействие солдат с военными системами. Если предыдущие программы DARPA были направлены на создание интерфейсов для восстановления раненых, то N3 заточена на применение нейронных интерфейсов в бою.

Как заявляет DARPA, они работают над усилением партнерства людей с компьютерными системами, чтобы идти в ногу с ожидаемой скоростью и сложностью будущих военных миссий. Крайне важно, чтобы военнослужащие могли в режиме реального времени и интуитивно взаимодействовать с интеллектуальными полуавтономными и автономными агентами, что невозможно при использовании обычных интерфейсов.

Абзац выше -- это, по сути, цитата.

Технологически задача состоит в том, чтобы неинвазивно, без хирургических операций, связываться с нервной тканью через череп, сохраняя при этом высокое пространственное и временное разрешение; причем как для записи, так и для стимуляции активности клеток.

Т.е. это должен быть двунаправленный интерфейс, позволяющий считывать сигнал из мозга и отправлять его в мозг. Категорий сигналов -- от шести и более в каждом направлении. Размер устройства -- в пределах 125 куб. см. И главное, оно устойчиво к движениям. Интерфейсы, что сегодня используют в медицине или научных исследованиях, нужно долго калибровать, а затем человек почти неподвижно сидит перед монитором.

Программа включает два типа технологий: неинвазивную и “слегка” инвазивную. Последняя допускает доставку вирусов, молекул, наночастиц и т.п., которые вводятся в мозг инъекцией, таблеткой или в виде спрея. Они усиливают или преобразуют сигнал от клеток таким образом, чтобы его могло считать внешнее устройство. В этом случае требование -- прибор должен регистрировать активность на уровне отдельных нейронов.

В DARPA считают, во-первых, что понадобятся новые решения в области физики рассеяния и ослабления сигналов при их прохождении через кожу, череп и ткань мозга; во-вторых, предлагают искать новые признаки активности нейронов, напр., оптические, акустические, магнитные. Отдельно прописано, что текущие методы, требующие громоздкого оборудования, типа МЭГ или МРТ, не будут рассматриваться. Улучшения в съеме ЭЭГ -- не предлагать.

В целом звучит довольно лихо для ближайших лет, но раз такая программа сформулирована, то, вероятно, некоторые идеи и технологические заделы уже имеются. Это жутко интригует.
Collapse )
homuncul

Мозг, машины и просветление. Сценарий Ликлайдера

Написал о том, как и почему людям почти неизбежно придется подключать мозг к компьютерам. В чем логика и основной драйвер (за пределами медицины), какие инструменты нейротеха уже имеются либо разрабатываются.

Полный текст в жж не помещается, выложил на отдельной страничке.

homuncul

Этика мозга в пробирке

Несколько видных ученых, среди которых такие крупные фигуры как George M. Church и Christof Koch, собрались подумать, куда идет техника создания органоидов и химер. Какие проблемы мы получим в недалеком будущем.

Сейчас органоиды всего лишь комки клеток, с ними проводят разные эксперименты, тестируют лекарства, но где остановиться? Можно вырастить мини-мозг и делать с ним всякое -- с какого момента (объема) он превращается в чувствующий объект, к которому применимы этические принципы?

То же касается химер, животных с человеческими органами (частями органов). Вот, скажем, мыши с половиной мозга из клеток человека, надо ли к ним относиться как-то иначе. Или, добавлю от себя, обезьяны со встроенными генами человека. Технически многие вещи уже возможны либо будут скоро возможны.

“По мере того, как суррогаты мозга становятся более крупными и более сложными, вероятность того, что они обладают способностями, близкими к человеческим, может стать менее отдаленной. Такие возможности могут включать в себя способность чувствовать (в некоторой степени) удовольствие, боль или страдание; способность хранить и извлекать память; или, возможно, даже восприятие субъектности или осознание себя”.






Трудность в том, что ситуация уникальна, никогда человек с подобным выбором не сталкивался. Нет ориентиров в прошлом опыте, трудно понять, от чего отталкиваться. Плюс технически мы не умеем “измерять” сознание или уровень страдания, да и в целом эмоции и переживания.

Если органоиды соединены в систему -- вот мозг(и), вот печень и сердце, вот легкие и желудок -- то какой статус у этой системы? Это чувствующий организм или препарат для опытов любого рода? Неизвестно.

Авторы формулируют вопросы, которые появляются при развитии нынешних биотехнологий и не дают ответов. Ответы они призывают искать сообща.

Что меня порой смущает в таких воззваниях -- чрезмерное педалирование этической стороны, которая может препятствовать научной работе. Особенно в нынешних условиях, когда чувства, интеллект и сознание “находят” повсюду, от растений до одноклеточных.

С другой стороны, вопросы интересные и нетривиальные. А опыты с такими системами могут пролить свет как раз на природу и механизмы сознания.

The ethics of experimenting with human brain tissue” -- Nature, April 2018

homuncul

Долг платежом красен

В 1835 году компенсация за отмену рабства в Британии составила 20 млн. фунтов стерлингов или 40% годового дохода государства. Сегодня это эквивалентно £300 млрд. Деньги пошли, разумеется, не бывшим рабам, а их владельцам -- тем, кто пострадал, лишившись ‘имущества’ и законного дохода.

У правительства на руках не было такой суммы, и оно взяло 15 млн. в кредит у банкиров. Автор статьи в Guardian пишет, ссылаясь на Казначейство Её Величества, что долг был окончательно погашен в 2015 году. А значит, многие поколения британцев, включая нынешнее, оплатили своими налогами компенсацию рабовладельцам 1830-х годов.

Там же он приводит детали: после отмены рабства бывшие рабы были обязаны еще несколько лет отработать у хозяев без оплаты. Рабство отменялось не повсюду, в Индии оно оставалось. Выплаты получили 47 тыс. человек.

Если просто разделить £300 млрд. на 47 000, то на каждого выходит неплохая сумма, больше шести миллионов фунтов. Но в жизни, конечно, такие суммы не делятся просто.

“Недавние исследования… показали поразительное разнообразие людей, получивших компенсацию, от вдов в Йорке до священнослужителей в Мидлендсе, адвокатов в Дареме и производителей стекла в Бристоле. Тем не менее, львиная доля оказалась в карманах самых богатых граждан, им принадлежало наибольшее количество рабов. Свыше 50% от общей суммы ушло шести процентам от общего числа заявителей.
Collapse )
homuncul

Юбилей гомункулуса

На моей аватарке изображен сенсорный гомункулус. Фигурка стоит в Музее естественной истории в Лондоне. Причем рядом там есть моторный гомункулус, они похожи, но не стоит их путать. Многие уже знают, отчего “человечки” выглядят так странно. Но знаете ли вы, что сегодня их день рождения? Гомункулусы появились ровно 80 лет назад, их “открыл” канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд вместе с Эдвином Болдри. Первого декабря 1937 года вышла их статья в журнале “Brain”.


Да, 3D версии созданы гораздо позже, на основе плоских рисунков, а вот рисунки — плод научных исследований. В статье авторы впервые выдвигают идею гомункулуса и дают его изображение. Статья наполнена сводками данных, полученных из кортикальной стимуляции 126 пациентов, их Пенфилд оперировал под местной анестезией в период между 1928 и 1936 гг.

По собранным данным авторы построили карту двигательной и соматосенсорной локализации в мозге человека. В статье карту представили как искаженную человекоподобную фигуру. Гомункулус изображен висящим вверх тормашками, голова отделена от тела, и отдельно показаны глотка и язык. Болдри свел воедино все точки стимуляции по всем пациентам для каждой части тела, взяв их из рабочих заметок Пенфилда, фотографий и рисунков.

Пенфилд (слева) и Болдри (в центре) создали гомункулуса (справа).

А если кто не знает, столь причудливые пропорции “человечка” иллюстрируют идею того, как части тела представлены в мозге. Кисти, губы и язык гораздо сильнее иннервированы, их связи с мозгом богаче, и потому они огромны на фоне рук, ног и туловища.


Здесь заложено очень сильное упрощение, так как четких границ в мозге между зонами нет. Гомункулус дает лишь грубое приближение вероятности того, где нейрохирург может найти активацию определенных частей тела. Как пишет автор статьи по ссылке ниже, “нет никаких сомнений, что Пенфилд и Болдри хорошо знали об этом”.


Спустя десять лет Пенфилд предложил новый рисунок гомункулуса, более качественный. Но и тогда он предупреждал, что “такого рода рисунки могут легко ввести в заблуждение, если придать слишком много значения форме и сравнительным размерам.”


Гомункулус, тем не менее, стал удачной метафорой сложных неврологических связей мозга и тела и, вероятно, никогда не потеряет свое место в учебниках. Так считает Марко Катани, написавший в журнале “Brain” посвящение гомункулусу, и я с ним согласен.

"A little man of some importance", Brain, 2017 (обложка кликабельна)


P.S. Пенфилд занесён в Канадский зал медицинской славы, его именем названо авеню в Монреале. В 1958 он стал иностранным членом Академии наук СССР. Всего за жизнь четыре раза посещал СССР: в составе Британо-Американо-Канадской миссии в 1943 г., потом в 1955, 1958 гг., и в 1962 г. в связи с травмой Льва Ландау.

3D гомункулусы в музее: фото
Плоские гомункулусы: пример

homuncul

“Живые электроды” для стимуляции мозга

Идея в том, чтобы роль проводящего кабеля выполнял пучок нервных волокон, вживленных в мозг извне. Авторы радикально решают проблему биосовместимости. Вместо того чтобы искать новые материалы, стремясь снизить иммунный ответ, авторы берут обычные нейроны -- ведь аксон тоже принимает и передает электрический потенциал. Они презентуют концепцию “живых электродов”, которые не только полностью совместимы с тканью, но и растут в ней, точно связываясь с клетками нужного типа.

Нейроны сперва выращивают в полой трубке. Далее ее имплантируют в выбранное место коры, вводят как обычный зонд. Разница в том, что часть трубки, что находится внутри мозга, со временем рассасывается и остается лишь пучок нервных волокон -- по нему можно отправить сигнал в мозг.

В центре -- стандартный электрод, воздействие сильное, но нет избирательности. Справа -- оптрод, избирательность есть, но свет проникает неглубоко. Слева -- живой электрод: высокая избирательность, долгий срок службы, не требует введения вируса в ткани.

Нейроны можно вырастить из стволовых клеток самого человека, тогда организм примет их как своих. Можно их запрограммировать на синаптическую связь только с клетками определенного типа, что даст избирательность стимуляции. Нейронам (живым электродам) можно придать чувствительность к свету, заранее встроив ген светочувствительного белка. Тогда вспышка света запустит потенциал действия, и не нужно подводить ток. И конечно, нейроны в пучке можно по-разному запрограммировать и получить разные режимы стимуляции.

Опыты по выращиванию нейронов в трубках длиной 3.7 мм (А)  и 6 мм (В).

Очевидно, что такой живой электрод интегрируется в ткань мозга и будет работать дольше обычных зондов, гипотетически всю жизнь организма. Один аксон способен синаптически связаться с сотнями и даже тысячами клеток. Авторы пишут, что уже строят живые электроды, где от 5 000 до 50 000 нейронов в колонке, и она лишь в два раза толще человеческого волоса.

Пока идею, похожую на интерфейс из “Аватара”, толком не протестировали, но у авторов богатый опыт в тканевой инженерии.

Не уверен, что именно эта схема взлетит, но направление верное. Электроника будущего, нацеленная на интеграцию с телом, неизбежно будет гибридной. И чем более совместимой, мягкой и неощутимой она будет становиться, тем больше в ней начнет проступать черт живого.

“Engineered Axonal Tracts as “Living Electrodes” for Synaptic-Based Modulation of Neural Circuitry” | Advanced Functional Materials | doi: 10.1002/adfm.201701183

homuncul

Зачем оптогенетике вода?

Ну, все уже знают про оптогенетику -- вы светите в мозг какой-нибудь крысе, и у нее возбуждаются нейроны. Не все, а лишь те, что реагируют на свет. И это по-своему замечательно, т.к. вы выбираете, какие клетки сделать светочувствительными. Но что если вы хотите “включать” клетки по одной? Не получится. Обычно в мозг вводят оптоволокно, оно там крепко сидит, и луч не настолько тонкий, чтобы попасть в один только нейрон. Даже если пустить такой луч, как им крутить?

Очевидно, на конец зонда хорошо бы поместить линзу и как-то менять ее фокус и поворачивать, чтобы луч как указкой ходил бы по разным клеткам. Но вот проблема: линза должна быть крохотной, уложиться бы в полсотню микрометров, плюс нужен поворотный механизм, а это механика, подача энергии и отвод тепла, и на таких масштабах очень трудно сделать дешево.

Но инженеры из MIT придумали. На конце зонда мааленький круглый резервуар глубиной 12 мкм со скошенными стенками. Туда заливают масло и сверху воду, они не смешиваются, и возникает четкая граница между ними. Это и есть линза. На стенках конуса электроды -- вы подаете напряжение, ток меняет поверхностную энергию стенок с гидрофобной на гидрофильную. То есть вода как бы проминает масло по бокам, граница выгибается вверх. Так называемый эффект электросмачивания. И теперь вы можете с помощью напряжения выбирать радиус кривизны линзы, то есть управлять фокусом.

Collapse )
homuncul

Капилляры как сенсоры активности нейронов

В мозге открыли еще одну сеть передачи электрических сигналов. Ее образуют капилляры, они реагируют на активность нервных клеток, пуская гиперполяризационную волну “вверх” в кровеносные сосуды-артериолы. Сигнал вызывает их расширение, и кровоток в капиллярном русле растет. Нейроны получают кислород.


Вопрос о том, как нейрон регулирует доставку крови, дискутируется в науке давно. Один микролитр коры содержит почти метр общей длины сосудов, где преобладают капилляры. Количество капиллярных эндотелиальных клеток в мозге соответствует количеству нервных, а любой капилляр проходит менее чем в 15 мкм от ближайшего тела нейрона. Такое устройство анатомии подсказало ученым идею, что сигнал от капилляра к артериоле был бы эффективным способом направить поток крови в зону микроциркуляции в ответ на нейронную активность.


Схема одного из экспериментов. Через открытый череп к капиллярам мозга мыши пипеткой вводили ионы калия
и двух-фотонным лазерным микроскопом отслеживали изменения кровотока в сосудах

Чтобы проверить гипотезу, авторы статьи в Nature Neuroscience провели сложные эксперименты как на изолированных сосудах, так и на живом мозге анестезированных мышей. Они показали, что у капилляров есть калиевые рецепторы; порция ионов калия вызывает быстрое распространение гиперполяризации вверх от капилляра к артериоле (авторы назвали это ‘обратным потенциалом действия’), стенки сосуда расширяются и кровь поступает в зону, где возникли ионы калия.

Поскольку ионы K+ высвобождаются при каждом потенциале действия нейрона, такой механизм увязывает кровообращение в мозге с ритмом активности нервных клеток, а капилляры играют главную роль в надежном снабжении их кровью. Авторы даже приходят к выводу, что эндотелиальные клетки капилляров больше напоминают синцитий -- тип ткани с неполным разграничением клеток -- который сопряжен с гладкой мускулатурой артериол.

Гипотеза, конечно, требует дальнейших исследований. Статья предъявляет данные в ее пользу, трактуя капилляры в виде обширной сенсорной сети, которая контролирует динамику кровообращения в мозге. Но авторы допускают, что подобная схема действует и в других электрически активных тканях, таких как сердечные и скелетные мышцы.

Capillary K+-sensing initiates retrograde hyperpolarization to increase local cerebral blood flow | Nature Neuroscience | doi:10.1038/nn.4533

homuncul

Зачем одной клетке связь со всем мозгом?

Гигантский нейрон, опоясывающий отростками весь мозг мыши. Его открыли недавно, в Allen Institute for Brain Science, применив новую технику визуализации. Тело нейрона находится в области под названием клáуструм (Claustrum), а это интригующее место. Клауструм -- тонкая пластинка серого вещества под корой в центре мозга, есть и у человека, но изучена слабо. И роль ее не вполне понятна.

A digital reconstruction of a neuron that encircles the mouse brain

В статье 2005 года Фрэнсис Крик и Кристоф Кох высказали догадку, что клауструм дает начало процессам сознательного восприятия. Крик умер еще до публикации, но как поведал Рамачандран, когда он последний раз виделся с Криком, тот сильно был увлечен Claustrum.

“Уже когда я прощался, Крик сказал: «Рама, я думаю, секрет сознания скрыт в клауструме. Иначе зачем эта крошечная структура подключена ко столь многим областям мозга?». И он заговорщически подмигнул мне”.

Спустя 10 лет после смерти Крика доктор Кубесси лечил от эпилепсии 54-летнюю женщину. Один из электродов был вживлен глубоко в мозг в область клауструма. Когда его включили, пациентка впала в ступор. Она не отвечала на вопросы и безучастно смотрела в пространство. Дыхание ее замедлилось. Когда стимуляцию прервали, она пришла в себя и ничего не помнила о том, что с ней случилось. Так происходило всякий раз, когда включали тот самый электрод, на протяжении двух дней, пока искали нужную зону для лечения. Пресса объявила, что найден переключатель сознания в мозге.

То был единичный случай, по медицинской необходимости. На нескольких людях такие опыты ради научного любопытства не проведешь. И клауструм все еще скрывает тайну, если она у него есть.

Кристоф Кох, второй автор той статьи 2005 года, еще полон сил, хотя и приуныл в последние годы из-за тщетности попыток узнать природу сознания методами нейронаук. Но у него на руках все карты -- ведь именно он руководит Allen Institute for Brain Science. Кох и открыл этот гигантский нейрон: нет сомнений, что то была его идея, отследить проекции клеток из клауструма.

A giant neuron found wrapped around entire mouse brain -- Nature News, 2017
homuncul

Цените аномалии. Случай CG

Вот необъяснимая, на первый взгляд, история. У женщины 43 лет, назовем её CG, случилось кровоизлияние в мозг. Сильная головная боль, тошнота, потеря сознания, госпитализация. Врачи сделали томограмму: типичное субарахноидальное кровоизлияние (САК)*, т.е. кровь вылилась в оболочку между мозгом и черепом. Провели операцию, снизили внутричерепное давление. Спустя 10 дней остановка сердца, реанимация, приход в сознание. В следующие дни сильный спазм сосудов, кислородное голодание мозга, т.н. церебральная ишемия. Словом, мозгу пришлось тяжко, нарушения сразу во многих местах. Пять дней женщина игнорировала левую половину пространства (зрительный неглект, когда мир для человека существует лишь справа; он не просто не видит то, что слева, но и не осознает этого). Всего 41 день в отделении интенсивной терапии, потом выписали с левым параличом.

Спустя полгода у CG судорожный эпилептический припадок. Еще через полгода ей делают трепанацию, удаляют справа переднюю, височную и теменную кости черепа, заменяют пластиной из титана. Через два месяца у неё ишемический инсульт: поражены миндалевидное тело и еще ряд зон мозга. Снова клиника, там женщина приходит в себя, затем её выписывают. Без осложнений.

У женщины все в норме -- кроме небольшой потери чувствительности в правой руке нет видимых неврологических, когнитивных, эмоциональных нарушений, нет патологий в поведении. Неврологи озадачились. На сканах мозга у CG такие серьезные и множественные поражения, что она должна быть инвалидом. Решили изучить её детально, по методике, вдруг отклонения не видны на глаз. Женщина прошла тесты на ориентацию в пространстве, внимание, память, владение речью, распознавание эмоций. Ученые оценили её уровень тревожности, способность строить модель сознания чужого человека (theory of mind), способность к целенаправленной деятельности (executive functions). Те же тесты прошли и здоровые женщины похожего возраста и уровня образования, без истории нервных болезней.

И что же? Пациентка CG ни в чем им не уступила. Хотя тесты подбирались как раз под пораженные участки мозга. Ученые оставили лабораторию, пошли к ней домой, наблюдали в обычной жизни (гуляет по утрам, готовит, работает на компьютере, плавает каждую неделю), говорили с родными. Как ни гляди -- нормальный человек, лишь череп поблескивает на солнце.


Они пишут в статье, что случай CG не ложится в принятые теории о связи анатомии мозга и функций. Авторы дают объяснения и затем отбрасывают. Первое, нейропластичность. Соблазн так думать велик, но 43 года уже, и после выписки прошел всего год. Очень вряд ли.

Второе, запас прочности мозга, здоровый образ жизни, умственная нагрузка -- все это резерв для восстановления функций, но тоже вряд ли. Слишком сильные и обширные нарушения.

Крайний вариант: второй инсульт сработал как встряска и вернул потери от первого. Парадоксы такого типа, когда повторная травма восстанавливает функцию, редко, но бывают. Увы, после кровоизлияния CG тестов не проходила, так что тут можно лишь спекулировать.

Как любая аномалия, кейс CG не имеет надежных объяснений. Ведь они даются в рамках теории, а та строится на статистике. Не случайно в науках о жизни речь всегда о выборке, чем она больше, тем надежнее вывод. Так мы копим знания -- знания о среднем. Но фокус сложных систем в том, что часть свойств они проявляют в редких, особых условиях. А без них вы не поймете систему глубоко, не построите фундаментальную теорию.

Как кривая на графике, что при одних значениях X ведет себя плавно, а при других начинает метаться, и вы никак это не узнаете, пока не зайдете в крайние значения. Вы можете долго обманываться насчет её уравнения. [метафорой мозга лучше, конечно, считать странный аттрактор]

Отсюда редкие и необычные случаи, т.е. скрытые в “хвостах” статистики, очень важны. Их не надо отбрасывать, напротив, они могут стать ключом, их нужно изучать, искать. Трудность же в том, что они требуют особой проницательности ума. А не каждый у нас Лурия или Рамачандран. Хотя в эпоху Big Data такие люди нужны тем паче.

"In sum, CG highlights the importance of considering individual cases to challenge our assumptions about neurocognition. [...] Beyond our current theories of brain plasticity, compensatory mechanisms, or cognitive reserve, there seem to be hitherto unknown forms of functional resilience. Reporting on unusual patients and disseminating the puzzling findings they offer contributes to fostering new avenues of research and thus inspire both theoretical and translational developments in the field".

Цените аномалии.

García AM et. al. A Lesion-Proof Brain? Multidimensional Sensorimotor, Cognitive, and Socio-Affective Preservation Despite Extensive Damage in a Stroke Patient -- Front. Aging Neurosci., 2017 doi: 10.3389/fnagi.2016.00335

* Как пишет Wiki: “САК — угрожающее жизни состояние, может привести к тяжёлой инвалидизации пациента даже в случае ранней диагностики и адекватного лечения. До половины случаев САК заканчиваются летальным исходом”.