Профессор Франсуа Ладукер из Школы электротехники и телекоммуникаций UNSW говорит, что междисциплинарная команда только что продемонстрировала в лаборатории то, что она теоретически доказала незадолго до пандемии: датчики, построенные с использованием жидкокристаллических и интегрированных оптических технологий, получивших название "оптроды", могут регистрировать нервные импульсы в теле живого животного..

Эти оптроны не только работают так же хорошо, как обычные электроды, которые используют электричество для обнаружения нервного импульса, но и решают "очень острые проблемы, которые не могут решить конкурирующие технологии", - говорит профессор. Ладукер.

"Во-первых, очень трудно уменьшить размер интерфейса с помощью обычных электродов, чтобы тысячи из них могли подключаться к тысячам нервов на очень маленькой площади.

"Одна из проблем, когда вы сжимаете тысячи электродов и размещаете их все ближе друг к другу для подключения к биологическим тканям, заключается в том, что их индивидуальное сопротивление увеличивается, что ухудшает отношение сигнал /шум, поэтому у нас возникают проблемы с считыванием сигнала. Мы называем это "несоответствием импеданса".

"Еще одна проблема заключается в том, что мы называем "перекрестными помехами" - когда вы сжимаете эти электроды и приближаете их друг к другу, они начинают разговаривать или воздействовать друг на друга из-за их близости".

Но поскольку оптроны используют свет, а не электричество для обнаружения нейронных сигналов, проблемы несоответствия импеданса являются избыточными, а перекрестные помехи сведены к минимуму.

"Реальное преимущество нашего подхода заключается в том, что мы можем сделать это соединение очень плотным в оптической области, и мы не платим ту цену, которую вам приходится платить в электрической области", - говорит профессор. - говорит Ладукер.

Демонстрация in vivo

В исследовании, опубликованном недавно в журнале Neural Engineering, проф. Ладукер и его коллеги-исследователи из UNSW хотели показать, что они могут использовать оптроны для точного измерения нервных импульсов, когда они проходят по нервному волокну у живого животного.

Профессор Scientia Найджел Ловелл, который возглавляет Высшую школу биомедицинской инженерии и является директором Института медицинской инженерии Фонда Тайри, был частью исследовательской группы, которая стремилась продемонстрировать это в лаборатории.

Он говорит, что команда подключила оптрод к седалищному нерву животного, находящегося под наркозом. Затем нерв стимулировали небольшим током, и нервные сигналы регистрировались с помощью оптического датчика. Затем они проделали то же самое, используя обычный электрод и биоусилитель.

"Мы продемонстрировали, что нервные реакции были по существу одинаковыми", - говорит профессор. Ловелл. "В оптическом по-прежнему больше шума, но это неудивительно, учитывая, что это совершенно новая технология, и мы можем работать над этим. Но, в конечном счете, мы могли бы идентифицировать те же характеристики с помощью электрических или оптических измерений".

Новый рассвет в области протезирования

На данный момент команде удалось показать, что нервные импульсы, которые относительно слабы и измеряются в микровольтах, могут быть зарегистрированы с помощью технологии optrode. Следующим шагом будет увеличение числа оптронов, чтобы иметь возможность обрабатывать сложные сети нервной и возбудимой ткани.

Профессор Ладусер говорит, что в начале проекта его коллеги спросили себя, сколько нейронных связей нужно мужчине или женщине, чтобы управлять рукой с определенной степенью изящества?

"То, что вы можете поднять предмет, что вы можете оценить трение, вы можете приложить нужное давление, чтобы удержать его, вы можете точно перемещаться из пункта А в пункт В, вы можете двигаться быстро и медленно - все это вещи, о которых мы даже не думаем, когда выполняем эти действия. Ответ не так очевиден, нам пришлось немного поискать в литературе, но мы считаем, что это примерно от 5000 до 10 000 подключений ".

Другими словами, между вашим мозгом и вашей рукой есть пучок нервов, который спускается от коры головного мозга и в конечном итоге делится на те 5000-10000 нервов, которые контролируют тонкие операции вашей руки.

Если бы чип с тысячами оптических соединений мог подключаться к вашему мозгу или какому-либо месту в руке до того, как отделится нервный пучок, протез руки потенциально мог бы функционировать практически с теми же возможностями, что и биологический.

Во всяком случае, это мечта, и проф. Ладусер говорит, что, вероятно, потребуются десятилетия дальнейших исследований, прежде чем это станет реальностью. Это включало бы в себя развитие способности оптронов быть двунаправленными. Они не только получали бы и интерпретировали сигналы от мозга по пути к телу, но и могли бы получать обратную связь в виде нервных импульсов, возвращающихся в мозг.

Долгая игра: интерфейс мозг-машина

Нейронное протезирование - не единственная область, которую технология optrode может переопределить. Люди давно мечтали об интеграции технологий и механизмов в человеческое тело, чтобы либо восстановить, либо улучшить его.

Кое-что из этого уже стало реальностью, например, кохлеарные имплантаты, кардиостимуляторы и дефибрилляторы сердца, не говоря уже об умных часах и других устройствах слежения, обеспечивающих непрерывную биологическую обратную связь.

Но одной из наиболее амбициозных целей в биомедицинской инженерии и нейробиологии является интерфейс мозг-машина, который призван соединить мозг не только с остальной частью тела, но, возможно, и со всем миром.

"Область нейронного взаимодействия - невероятно захватывающая область, и в течение следующего десятилетия она станет предметом интенсивных исследований и разработок", - говорит профессор. Ловелл.

Хотя сейчас это скорее вымысел, чем факт, многие биотехнологические компании относятся к этому очень серьезно. Предприниматель Илон Маск был одним из соучредителей Neuralink, целью которой является создание интерфейсов мозг-компьютер, способных помочь людям с параличом, а также внедрение искусственного интеллекта в нашу мозговую деятельность.

Подход Neuralink использует в своих устройствах обычные проволочные электроды, поэтому он должен преодолеть несоответствие импеданса и перекрестные помехи - среди многих других проблем - если они хотят разработать устройства, которые содержат тысячи, если не миллионы, соединений между мозгом и имплантируемым устройством. Недавно сообщалось, что мистер Маск был разочарован медленными темпами разработки технологии.

Профессор Ладусер говорит, что время покажет, удастся ли Neuralink и ее конкурентам устранить эти препятствия. Однако, учитывая, что имплантируемые устройства in vivo, фиксирующие нейронную активность, в настоящее время ограничены примерно 100 электродами, предстоит пройти еще долгий путь.

"Я не говорю, что это невозможно, но это становится действительно проблематичным, если вы будете придерживаться стандартных электродов", - говорит профессор. - говорит Ладукер.

"У нас нет таких проблем в оптической области. В наших устройствах, если есть нейронная активность, ее присутствие влияет на ориентацию жидкого кристалла, которую мы можем обнаружить и количественно оценить, направив на него свет. Это означает, что мы не извлекаем ток из биологических тканей, как это делают проволочные электроды. И таким образом, биосенсорика может быть проведена гораздо эффективнее".

Теперь, когда исследователи показали, что метод optrode работает in vivo, они вскоре опубликуют исследование, которое показывает, что технология optrode является двунаправленной - что она может не только считывать нейронные сигналы, но и записывать их.