Этот материал входит в цикл о лабораториях, исследованиях, разработках и проектах вузов из списка «Приоритет 2030». Ранее в цикле вышли материалы про университеты в Саратове, Томске, Новосибирске.
Ученые Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (ННГУ) добились того, что искусственный синапс обработал сигнал клеток гиппокампа. Эта часть мозга играет ключевую роль в механизмах памяти и обучения. В дальнейшем разработка может позволить предотвращать приступы эпилепсии с помощью миниатюрных носимых устройств. Результаты исследования опубликованы в журнале Chaos, Solitons & Fractals. Авторы — ученые лаборатории мемристорной наноэлектроники Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» и Научно-исследовательского института нейронаук ННГУ. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Одна из особенностей живых систем — пластичность, которая позволяет им подстраиваться под внутренние и внешние факторы. Именно благодаря пластичности связи между нервными клетками — синапсами — могут усиливаться или ослабляться. А это, в свою очередь, позволяет «включать» механизмы памяти и обучения. Ученым удалось добиться похожего по действию эффекта в неживых системах — мемристорах — благодаря возможности плавного изменения их резистивного состояния. Устройство способно обрабатывать и хранить информацию — то есть выполнять функции, присущие нейронам и синапсам.
В экспериментах мемристор показал синаптическую пластичность в ответ на нейрональную активность, которая была записана in vitro (в срезах гиппокампа лабораторных грызунов). Такой результат приближает создание нейропротеза, способного подавлять и даже прогнозировать приступы эпилепсии.
Как лечат эпилепсию сегодня
К особенностям эпилепсии относят неконтролируемые приступы. Непредсказуемое течение хронической болезни усложняет лечение. Кроме того, современные исследователи склоняются к сетевой теории эпилепсии, согласно которой припадки инициируются патологической активностью многих структур мозга. Такая сложная природа заболевания заставляет искать прорывные подходы к лечению.
На данный момент при лечении эпилепсии в основном используются медикаментозная терапия или хирургическое вмешательство. При этом примерно на треть пациентов противосудорожные препараты не оказывают эффекта. Хирургическая резекция тоже имеет ограничения. Они связаны со сложностью удаления эпилептогенных зон и риском серьезных осложнений.
Альтернативой классическому лечению считается нейростимуляция. Патологическая нейрональная активность в этом случае подавляется с помощью электрических или магнитных токов. Например, в нейропротезировании прибегают к практике постоянной стимуляции блуждающего нерва электрическими импульсами. Специальный генератор имплантируется под кожу, а его электроды крепятся к нерву в области шеи.
Несмотря на меньшую инвазивность по сравнению с хирургической резекцией, этот метод еще далек от идеала. Постоянная стимуляция может привести к ухудшению состояния больного. Устройства, которые сегодня применяются в клинической практике, основаны на сигналах постоянной частоты и амплитуды. Отсутствие точечной настройки и обратной связи снижает их эффективность. Подстроиться под конкретный случай конкретного пациента смогут интерфейсы «мозг — компьютер» (нейроинтерфейсы), разработка которых остается одной из перспективных задач современной медицины.
Перспективный базовый элемент такого интерфейса успешно прошел первый этап исследований в лабораториях ННГУ. По замыслу авторов, нейропротезы на основе мемристоров смогут работать по принципу биосовместимости, то есть сигнал, выходящий из нейропротеза, будет биоподобным.
Мемристор — «компактный» запоминающий резистор
Мемристоры, которые используются нижегородскими учеными, созданы на основе стабилизированного диоксида циркония в лаборатории мемристорной наноэлектроники ННГУ. Изменяя проводимость, они могут имитировать функции, которые присущи нейронам и синапсам мозга.
Искусственные синапсы на основе мемристоров могут стать основой для устройств восстановительной медицины и робототехники. Исследователи ННГУ изучают возможность их применения в нейрогибридных устройствах, которые обрабатывают сигналы приступов у больных эпилепсией — так называемую эпилептиформную активность. Плавная регуляция проводимости мемристора может позволить передавать нормальный нейросигнал, подавляя вспышки эпилепсии.
Мария Коряжкина, научный сотрудник лаборатории стохастических мультистабильных систем ННГУ:
«Экспериментально установлено, что величина относительного изменения синаптического веса мемристора принимает большее значение в случае «здоровой» нейрональной активности. По этому критерию можно будет разделять входящий в мемристор сигнал на нормальный и эпилептиформный и, соответственно, блокировать нужный».
Ученые надеются, что нейронная сеть на основе мемристоров сможет не просто заглушать приступы, но и прогнозировать эпилептиформную активность.
Нейропротезы на мемристорах
Современные нейропротезы разрабатываются на основе традиционной электронной компонентной базы. В их числе — транзисторы, резисторы, конденсаторы и т.д. Использование универсальных мемристоров способно повысить энергоэффективность и скорость работы нейропротезов, сделать их схемы производительнее, точнее и проще. А миниатюрность подобных устройств обеспечит их удобство для применения в медицинской практике. Эксперты считают, что один мемристор способен заменить от 7 до 20 транзисторов для эмуляции биологического синапса.
Алексей Михайлов, директор Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ:
«Из литературных источников известно, что точность нейроморфного чипа на основе мемристора может достигать 99%, в то время как точность чипа на традиционной элементной базе — 96,5%. Производительность тоже можно оценить, исходя из источников литературы: если сравнивать, например, производительность прототипов процессоров на основе мемристоров и видеокарту NVIDIA Tesla V100, то получим выигрыш на несколько порядков величины».
Фундаментальное моделирование
Исследования нижегородских специалистов носят фундаментальный характер. На следующем этапе работы ученые планируют исследовать, как параметры нормальной и патологической нейрональной активности, записанные in vivo (в мозге живого грызуна), влияют на резистивное состояние мемристора.
Мария Коряжкина, научный сотрудник лаборатории стохастических мультистабильных систем ННГУ:
«В рамках экспериментов in vivo планируется получение зависимостей резистивного состояния мемристора и характеристик его синаптической пластичности от амплитуды и частоты ритмической активности мозга нормальной («здоровой») и патологической (эпилептиформной) нейрональной активности. В свою очередь, эти зависимости позволят разработать качественную модель влияния такой нейрональной активности и концепцию обработки нейрональной активности гиппокампа с помощью мемристоров.
Время перехода от модели к медицинскому изделию, доступному в медицинской практике, зависит от многих факторов, которые предугадать или на которые повлиять невозможно. В лучшем случае прогнозируется, что потребуется еще минимум 5–10 лет».
А если попроще?
Ученые изучают, как электронные компоненты (мемристоры) могут имитировать работу мозга, чтобы в будущем помогать людям с различными нейродегенеративными болезнями, но до реального применения еще достаточно далеко.
Нейродегенеративные заболевания — это группа в основном медленно прогрессирующих, наследственных или приобретенных заболеваний нервной системы. Общим для этих заболеваний является прогрессирующая гибель нервных клеток, ведущая к различным неврологическим симптомам — прежде всего к деменции и нарушению движений. К этой группе относятся, например, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз.
Уже сегодня российские и зарубежные ученые активно моделируют применение мемристоров при протезировании спинного мозга. В случае успеха технология использования подобных нейропротезов позволит применять их в лечении и других нейродегенеративных заболеваний.
Альбина Лебедева, старший научный сотрудник Научно-исследовательского института нейронаук ННГУ:
«Считается, что нейродегенеративные заболевания напрямую связаны со специфическими аномалиями динамики нейрональной активности. Поэтому нейропротезы на основе мемристоров рассматриваются как перспективные методы лечения нейродегенеративных заболеваний, включая восстановление когнитивных функций после травм».
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.