В предыдущих двух постах я писал в основном про историю нейровизуализации. Настало время перейти к современности. Две основные вещи, которые происходят прямо сейчас у нас на глазах: 1) уже существующие методы постепенно становятся всё доступнее и переходят из разряда «сложное лабораторное оборудование» в разряд «гаджеты, которые можно подключить к телефону», 2) появляются новые методы исследования, которые раньше показались бы нам фантастикой. Начнём с конца, с фантастики.
В 2012 году группа Muse выпустила альбом The 2nd Law. Честно говоря, альбом я так и не послушал, но с момента его выхода регулярно рассказываю людям, что в качестве обложки Muse использовали снимок одного из новейших методов нейровизуализации – диффузионно-тензорной томографии (ДТТ). Согласен с Muse в том, что снимки ДТТ действительно похожи на произведения искусства.
Вообще, ДТТ – это ещё одно ответвление от уже существующего метода, магнитно-резонансной томографии (МРТ). В прошлый раз мы обсуждали, что когда учёным пришла в голову идея фиксировать с помощью МРТ изменения в магнитных свойствах гемоглобина, переносящего в крови кислород, появилась функциональная МРТ. Во время ДТТ исследователи, сфокусировавшись на магнитных свойствах молекул воды в мозге, смогли визуализировать структуру мозговых волокон, связывающих друг с другом разные участки. Одной из главных особенностей метода является то, что он может определить направление движения воды в тканях, что позволяет увидеть ориентацию нервных волокон и даёт возможность изучить структуру нервной системы на уровне микроскопических деталей. Использовать ДТТ в 1994 году предложил Питер Бассер, и уже в нулевые годы данный метод стал использоваться повсеместно. При этом, несмотря на кажущуюся простоту объекта исследования – анатомию мозга, пик покорения которой пришёлся на первую половину ХХ века, ДТТ позволила совершить ряд открытий – например, найти незамеченный ранее пучок волокон, связывающий разные мозговые области речи, а также изучить, как меняются проводящие пути мозга у людей в зависимости от их образа жизни.
Пример снимка ДТТ
Ещё одно революционное изменение уже существующего метода – создание нового типа устройств, регистрирующих колебания магнитного поля. Магнитная энцефалография (МЭГ) – это метод, который дополняет электроэнцефалографию (ЭЭГ) и позволяет регистрировать не электрическую, а магнитную составляющую сигнала. По сравнению с электрическим методом исследования активности мозга, у магнитного есть значимые преимущества – например, датчиков МЭГ можно разместить на голове гораздо больше, чем датчиков ЭЭГ, а изучить активность в коре головного мозга точнее, за счёт особенностей распространения магнитного сигнала через череп. Классический вариант МЭГ (кстати, тоже довольно молодой метод, появившийся в 1968 году) работает только при охлаждении специальных датчиков до сверхнизких температур с помощью жидкого гелия, а поддерживать датчики в таком состоянии, заправляя аппарат жидким гелием, очень дорого! Прямо сейчас развивается новый подход в изучении магнитной активности мозга. При применении новой технологии (оптической МЭГ), вместо сверхпроводящих датчиков используются специальные лазеры и другие оптические методы для обнаружения колебания магнитных полей. Такой метод МЭГ портативный, что позволяет использовать его в различных условиях и тем пациентам, которые не могут поехать в учреждение, где есть установка с МЭГ. Таким образом, у учёных становится всё больше возможностей изучать работу мозга в естественных, а не лабораторных условиях.
Важную роль в развитии современных методов нейронауки играют не только революционные изменения, но и плавные улучшения уже работающих вещей. Стоит отметить, что постепенный выход методов нейровизуализации из лабораторий в реальный мир происходит не только в области изучения магнитной активности. Наиболее заметен этот процесс в мире ЭЭГ. Первые «нейрогаджеты» – доступные на потребительском рынке небольшие и относительно недорогие устройства для регистрации ЭЭГ – появились около десяти лет назад. Они привлекли значительное внимание за счёт футуристического дизайна и громких обещаний о том, чего можно достичь с их помощью. Например, компания Emotiv утверждала, что, применяя их устройство EPOC, можно легко измерить «продуктивность мозга» в любой ситуации. Между тем получить такие результаты оказалось сложно, как по технологическим причинам (первые датчики регистрировали достаточно шумный и нестабильный сигнал), так и по нейрофизиологическим (очень часто уровень понимания работы мозга в нейронауке недостаточен для создания действительно нужных на рынке продуктов). Так, лично я десять лет назад много раз участвовал в обсуждениях создания на базе той же нейрогарнитуры Emotiv устройства, которое бы фиксировало уровень усталости человека на работе, чтобы подсказывать ему, когда и как правильно отдыхать для лучшей продуктивности. Кажется, что потребность в таком продукте есть у многих компаний и сейчас, спустя 10 лет, однако, я думаю, что сделать это именно с помощью нейровизуализации всё ещё слишком дорого, непрактично и неточно. Стоит отметить, что другие подходы по отслеживанию продуктивности развиваются достаточно активно, советую почитать, например, про успехи компании с российскими корнями Welltory.
К счастью, компании – производители нейрогарнитур не сдаются и продолжают совершенствовать свои технологии. Например, компания Emotiv выпускает уже двадцатую версию своей нейрогарнитуры (новая модель становится чуть лучше предыдущей). Продолжают появляться и новые предложения. Среди них я бы отметил оригинальное решение, предложенное компанией Neurable: она попробовала встроить датчики ЭЭГ в наушники; возможно, такой дизайн упростит использование нейрогарнитур конечными пользователями. Есть и русские компании, которые развивают собственные нейрогарнитуры, отмечу тут компании Neiry и «Нейроботикс». Важной особенностью потребительских нейрогарнитур стала попытка использовать так называемые «сухие» электроды. Классические, «мокрые» электроды требуют создания отдельной высокопроводящей среды между головой человека и поверхностью электрода. Обычно такая среда получается за счёт нанесения на голову специального геля, который делает процедуру записи ЭЭГ не самой приятной для пациента. «Сухие» электроды призваны решить эту проблему за счёт того, что созданы из новых материалов. Они более удобны, гигиеничны и портативны (их можно легко транспортировать и использовать в различных условиях). В последние годы достигнут значительный прогресс в разработке «сухих» электродов для ЭЭГ. Исследователи создали различные конструкции «сухих» электродов, в том числе те, в которых используются проводящие пластмассы и ткани с металлическим покрытием, чтобы улучшить характеристики и надёжность. Кроме того, разработаны новые методы анализа данных ЭЭГ, собранных с помощью «сухих» электродов, в том числе алгоритмы машинного обучения, которые позволяют с высокой точностью выявлять паттерны мозговой активности.
Несмотря на то что для серьёзных научных исследований все перечисленные виды нейрогарнитур всё ещё не очень подходят, их развитие заставило научные лаборатории серьёзнее относиться к разного рода проектам «мобильной» энцефалографии. Сейчас существуют вполне подходящие для научной работы аналоги потребительских нейрогарнитур (например, вот такие). Стоят они, правда, на несколько порядков дороже.
Среди проектов по созданию нейрогарнитур особо отмечу один, который, на мой взгляд, находится вообще на стыке науки и искусства. Компания g.Tech, фокусирующаяся на создании мобильных профессиональных энцефалографов для интерфейсов «мозг – компьютер», разработала выглядящий космически вариант устройства ЭЭГ, способного регистрировать до 1024 каналов одновременно (при том что даже самые профессиональные лабораторные устройства позволяют регистрировать не больше 256 каналов, да и это происходит крайне редко, чаще всего исследователи сейчас ограничиваются 64 электродами). Правда, есть нюанс: для того чтобы попробовать на себе эту 1024-канальную ЭЭГ, нужно быть готовыми полностью расстаться с волосами хотя бы на время, потому что вот как все это выглядит:
Сейчас самые фантастические изменения происходят в другой сфере, о которой мы с вами ещё не говорили. Всё, что было написано раньше, – это история про так называемые неинвазивные методы, которые позволяют изучить активность мозга, не нарушая его целостность. Фокус на неинвазивных технологиях понятен: они позволяют анализировать устройство и работу мозга людей без ограничений. Инвазивные технологии, в которых так или иначе приходится разрушать разные оболочки мозга или даже сами нервные клетки, – это совершенно другой мир, мир медицины и пациентов с разнообразными неврологическими заболеваниями. В то же время мне кажется, что происходящий сейчас технологический прогресс медленно стирает различия между неинвазивными и инвазивными технологиями, и об этом нельзя не рассказать. Начнём с самого популярного, но не самого интересного для самих учёных, с Илона Маска и его компании Neuralink.
Как и многие другие его проекты, Neuralink Илона Маска сразу привлёк к себе большое внимание со стороны общества. И при этом, конечно же, много критики со стороны экспертов. Мне сложно оценивать другие инициативы Маска, но в случае с Neuralink основная проблема заключалась в том, что были обещаны вещи, в возможности которых современная нейронаука в принципе всё ещё сомневается. Например, Илон Маск утверждал, что объединение технологий Neuralink и технологий искусственного интеллекта «позволит человеку с параличом пользоваться смартфоном с помощью мыслей быстрее, чем здоровому человеку, который использует большой палец». Однако, несмотря на скепсис многих экспертов, предприниматель вначале собрал действительно мощную команду, которая предложила интересные инженерные решения. Вопрос только в том, насколько они были революционными. На самом деле команда Маска просто предложила значительно усовершенствовать уже существующие технологии инвазивной регистрации мозговой активности от небольших участков мозга с помощью вживлённых электродов. Если самая часто используемая на сегодняшний день технология (чип Utah Array от Blackrock Neurotech) использует до 128 электродов, Neuralink предложила увеличить их количество до 1024, а также добавить возможность беспроводной связи устройства с компьютерами. Таким образом, изменения были количественными, а не качественными. В 2019 году Neuralink презентовала своё устройство и показала, что может делать хотя бы некоторые вещи из обещанных. К сожалению, по дороге Илон Маск растерял большую часть изначально собранной команды экспертов и затянул сроки регистрации своих технологий для клинического использования. Пока, конечно, полностью хоронить Neuralink ещё рано, но прямо сейчас перспективы компании выглядят туманно.
Тем временем у Neuralink появились конкуренты, которые пытаются предложить принципиально новые технологии. Один из них – компания Synchron, которая разрабатывает эндоваскулярный интерфейс для анализа активности мозга. Эндоваскулярный значит «внутри сосудов». Synchron предлагает создать специальные электроды, которые можно будет вводить в сосуды мозга, практически не нарушая его структуру. Более подробно и с иллюстрациями можно посмотреть выступление основателя компании Тома Оксли.
Другая, совсем свежая и в чём-то похожая разработка – это Neuralace («Нейрокружево») от одной из крупнейших компаний в области инвазивных интерфейсов Blackrock Neurotech (смотрите тут). Компания обещает, что с более чем 10 000 каналов и масштабируемой системой, интегрированной в чрезвычайно гибкий чип с «кружевной» структурой, «Нейрокружево» сможет собрать данных на несколько порядков больше, чем существующие электроды, что позволит экспоненциально увеличить возможности как анализа сигнала, так и использования его для управления чем-либо (например, роботизированным протезом).
На мой взгляд, самое интересное в этих двух потенциально новых технологиях то, что они начинают стирать различия между инвазивными и неинвазивными методами нейровизуализации, тем самым сильно расширяя возможности для постановки новых уникальных прикладных и фундаментальных исследовательских вопросов. Так что мы, кажется, живём в очень интересное время. «Будущее распределено неравномерно», и прямо сейчас многие нейроучёные пока ещё не почувствовали на себе технологическую революцию, которая происходит прямо на глазах. Лично мне кажется, что в течение одного-двух десятилетий, нейронаука может измениться до неузнаваемости. Оптимистичные прогнозы в науке, правда, дело неблагодарное, но мне кажется, что в последнее время что-то действительно сильно начало меняться. Поживём – увидим.
Иллюстрации представили: анонс – Елена Рюмина, по тексту – Илья Захаров
