Мозъчно-компютърният интерфейс е една от най-активно изследваните технологии в момента. Най-общо казано това представлява устройство, което може да регистрира невронната активност и да я предава към компютри за обработка, както и в обратната посока да влияе на невроните. Още с откриването на електрическата природа на централната нервна система през 20-те години на миналия век се появяват и първите примитивни устройства, които се опитват да записват и модулират дейността на мозъка. Те представляват сребърни жици, втъквани под скалпа на пациента, впоследствие заменени от сребърно фолио, закрепено за главата с ластици. Успехът им е меко казано спорен. Общо взето оттогава насетне пътят на науката е предначертан: все по-малко инвазивни устройства с все по-голяма резолюция, т.е. все по-малък брой неврони да бъдат „улавяни” с един електрод. Следва кратко представяне на състоянието на сектора към началото на 2018 година.
1) Мултиелектродни системи
Съвременните мултиелектродни системи са правнуци на споменатите сребърни жици под скалпа. Техен голям недостатък е имунният отговор, които предизвикват в организма, макар материалите, които се използват днес, да са много по-щадящи нервната тъкан. Обикновено електродите се имплантират в моторната кора на мозъка. Идеята е да се прихванат волевите импулси, които възникват там и са насочени към мускулатурата. Това би дало възможност на парализирани пациенти да използват отново крайниците си. Компанията BrainGate има разработени мултиелектродни системи, които при тестове позволяват на парализирана от удар жена да изпие без чужда помощ първата си чаша кафе. Плановете на науката не спират само дотам пациенти да реанимират собствените си крайници. Работи се в посока управление на външни устройства. Началният удар на световното първенство по футбол през 2014 година в Бразилия бе даден от парализиран от кръста надолу мъж, който носи екзоскелет. Технологията е разработена от бразилски учени. Твърди се, че скаути на „Левски" са предложили двугодишен договор на въпросния доброволец.
2) Стентрод
В търсене на все по-щадящи технологии с все по-голяма резолюция, екип от Университета в Мелбърн разработва устройство, наречено стентрод (stentrode). Подобно на мултиелектродните системи то прониква в мозъчната тъкан, но за разлика от тях не изисква пробиване на черепа. Първоначално с размерите на клечка кибрит, през малък разрез във врата стентродът се пъха в кръвоносен съд, по който стига до моторната кора. Оттам по безжичен път предава сигналите на мозъка, които след обработка от компютър могат да задвижват екзоскелет.
Ако харесвате това, което правим, можете да ни подкрепите с дребна сума. Към всеки дарен лев редакцията ще добави още един, а в края на месеца томбола ще определи щастливеца, който ще може да си купи хероин от Киро Японеца.
3) Неврозърна
Както подсказва името ѝ, тази система се състои от хиляди отделни устройства, имплантирани в мозъчната тъкан. Те са с диаметър под милиметър и са контролирани от релейна станция от външната страна на главата, която освен това ги зарежда индуктивно. Неврозърната поддържат както входяща, така и изходяща комуникация. Евентуално целта им е да могат да регистрират или съответно стимулират един отделен неврон, а не група от неврони, както при всичко други технологии. Проектът е един от многото в областта на мозъчно-компютърния интерфейс, които се финансират от правителствената агенция ДАРПА – нещо като нашия БАН, само че стриктно военен и не толкова напреднал технологично.
4) Периферна нервна система
Друг подход към мозъчно-компютърните интерфейси е улавянето на сигналите от невроните, които вървят от гръбначния стълб към мускулатурата. По този начин се заобикалят невероятно сложните взаимовръзки и шумове от близкостоящи неврони в централната нервна система и се залага на вече изчистен сигнал, който съдържа ясно намерение. Компанията CTRL-Labs, базирана в Манхатън, Ню Йорк, е разработила устройство, подобно на гривна, което се слага между китката и лакъта. Засега то наподобява парче плат, в което са наблъскани хиляди електроди, но съвсем скоро дизайнът и размерите ще бъдат подобрени до вида на ръчен часовник. Основателите на CTRL-Labs демонстрират изобретението си, като пишат няколко десетки думи в минута без да докосват клавиатурата на компютъра и като играят сравнително прости компютърни игри. Според тях технологията има потенциал да се превърне в масов интерфейс между човека и неговия смартфон, от който към днешна дата информацията излиза в пъти по-лесно, отколкото влиза.
5) Функционална инфрачервена спектроскопия (ФИС)
Всъщност пълното име на този метод би било нещо от типа на „функционална почти инфрачервена спектроскопия”, защото дължината на вълната е от отсамната страна на стойността, приемана за граница – 700 нанометра. ФИС всъщност регистрира индиректно дейността на невроните, тоест вторичен (епи- ) феномен – оксидирането на кръвта в различните зони на мозъка. Приема се, че в зоните с по-оксидирана кръв невроните "работят" по-интензивно. В мозъка се прожектира почти инфрачервена светлина с дължина между 700 и 900 нанометра. Използва се тази част от спектъра, защото при нея костта на черепа и околните тъкани са по-пропускливи. По отразената обратно светлина може да се разбере например дали пациентът отговаря с да или не на зададен му въпрос. Смята се, че тази технология би могла да намери приложение при напълно обездвижени пациенти, които не могат да контролират нито един мускул на тялото си (т.нар. locked-in syndrome), например при дискусия за доброволно прекратяване на живота.
6) Едностъпкова оптогенетика с мултифункционален полимер
Оптогенетиката е техника, която съществува над десетилетие. Досегашните модели включват три стъпки:
1) генетична модификация на неврона, обичайно чрез вирус. Промененият неврон произвежда белтъци и други клетъчни елементи, които при наличието на определена светлина го правят пропусклив за натриеви и хлорни йони. С други думи чрез светлина може да се влияе на неговата активност.
2) имплантиране на устройство, което произвежда светлина – оптично влакно или ЛЕД.
3) имплантиране на електроди, които засичат разреда на невроните
Екипът на Полина Акинеева от МИТ събира трите стъпки в една и създава т.нар. едностъпкова оптогенетика, която вместо три инвазивни процедури, има нужда от само една. За постигането на този резултат те се обръщат към материалознанието. В сондата, която се имплантира в мозъка, се влага специален полимер, върху който буквално като пудра захар са посипани частици графит. Материалът е високопроводим и може да се изтегли в изключително тънка нишка. Според проф. Аникеева обаче електрическите сигнали дават непълна информация за мозъчната дейност. Отдавна известно на науката е, че той използва и химическа комуникация. Затова в ултратънката сонда има миниатюрни канали за течност, които хвърлят допълнително светлина за това какво се случва под капака (разбирай под черепа). Засега тази технология е изпитана само върху мишки, но резултатите са много обнадеждаващи.
