Исследователи наделили крыс способностью «осязать» инфракрасный свет, по идее невидимый для них, путем установки инфракрасного датчика, подключенного к микроскопическим электродам, имплантированным в ту область мозга млекопитающих, в которой происходит обработка тактильной информации. Это достижение впервые позволило при помощи нейрокомпьютерного интерфейса добавить чувство взрослым животным, как говорит нейробиолог из Университета Дьюка Мигель Николелис – руководитель исследовательской группы.
Эксперимент также впервые продемонстрировал, что приток новых сенсорных чувствительных сигналов (сенсорный вход) может, по словам Николелиса, обрабатываться кортикальной областью, специализирующейся на другом чувстве, без «похищения» функции этой области мозга. Он говорит, что это открытие позволяет предположить, что человек, у которого, например, была повреждена зрительная зона коры головного мозга, может снова обрести зрение при помощи нейропротезного устройства, имплантированного в другую кортикальную область.
Хотя в ходе первоначальных экспериментов было только проверено, могут ли крысы обнаруживать инфракрасный свет, по всей видимости, нет причин, по которым эти животные не могли бы быть наделены в будущем полноценным инфракрасным зрением, как говорит Николелис. Фактически, можно было бы разработать кортикальные нейропротезные устройства, которые давали бы животным или людям способность видеть любой диапазон электромагнитного спектра, или даже магнитные поля. «Мы могли бы создать устройства чувствительные к любой физической энергии», — говорит он. «Это могли бы быть магнитные поля, радиоволны, или ультразвуковые колебания. Мы выбрали инфракрасный свет, так как он не мешает нам фиксировать электрофизиологическую информацию».
Николелис и его коллеги Эрик Томсон и Рафаель Карра опубликовали полученные ими данные в онлайн версии журнала Nature Communications. Спонсором их исследования выступил Национальный институт психического здоровья. «До сегодняшнего дня целью разработки нейрокомпьютерных интерфейсов являлось стремление восстановить двигательные функции, утраченные в результате повреждения центральной нервной системы», — говорит Томпсон, первый автор исследования. «Это первая работа, в ходе которой нейропротезное устройство было использовано, чтобы добавить функцию – буквально дать возможность обычным животным обрести шестое чувство».
Сетчатка млекопитающих нечувствительна к инфракрасному свету, поэтому при проведении исследований они обычно не могут обнаруживать тепло, выделяемое источниками слабого инфракрасного света. В ходе данных экспериментов исследователи использовали испытательную камеру с тремя источниками света, которые можно было включать в произвольном порядке. Используя светодиодные лампы, излучающие видимый свет, они сначала обучили крыс выбирать активный источник света, тыкая нос в прикрепленный порт, чтобы получить награду в виде глотка воды.
После этого, ученые имплантировали в мозг животных массив микроэлектродов, диаметр каждого из которых составлял десятую диаметра человеческого волоса. Микроэлектроды были имплантированы в кортикальную область, которая обрабатывает сенсорную информацию, поступающую от усов, расположенных на мордочке животных. К микроэлектродам был присоединен инфракрасный датчик, зафиксированный у животных на лбу. Система была запрограммирована таким образом, что направленность в сторону инфракрасного света инициировала подачу электрического сигнала в мозг. Сигнальные импульсы становились более частыми по мере увеличения интенсивность света и уменьшения расстояния до источника света.
Затем ученые снова поместили животных в испытательную камеру, постепенно заменяя источники видимого света источниками инфракрасного света. В первое время в ходе испытаний с инфракрасным светом, когда лампа зажигалась, животные наугад тыкали нос в порт с наградой и чесали мордочки. Это указывает на то, что первоначально они интерпретировали сигналы, поступающие в мозг, как прикосновение. Однако примерно через месяц крысы научились связывать сигналы с источником инфракрасного света. Они начали активно «разыскивать» сигнал, поворачивая голову в разные стороны, чтобы сориентировать себя по направлению к активному источнику света. В конце концов, они почти безошибочно отыскивали правильное местоположение источника инфракрасного света.
Чтобы убедиться в том, что животные действительно использовали для восприятия инфракрасного света инфракрасный датчик, а не глаза, исследователи провели испытание, в котором лампа была включена, но детектор не посылал сигналы в мозг. В ходе этого испытания, крысы на инфракрасный свет не реагировали.
Ключевым открытием, как говорит Николелис, стало то, что привлечение отвечающей за осязание кортикальной зоны для обнаружения света не уменьшило ее способности обрабатывать осязательные сигналы. «Когда мы фиксировали сигналы, исходящие из кортикальной зоны, отвечающей за осязание, мы обнаружили, что хотя клетки начали отвечать на инфракрасный свет, они продолжали реагировать и на осязательную информацию, поступающую от усиков. Как будто кора равномерно разделилась таким образом, чтобы нейроны могли обрабатывать оба вида информации».
Это открытие о приспосабливаемости мозга противоречит «ортогенетическому» подходу к стимуляции мозга, согласно которому для того, чтобы получить желаемую неврологическую функцию следует стимулировать определенный тип нейронов. Эксперименты же, как говорит Николелис, напротив, свидетельствуют о том, что обширная электростимуляция, которая задействует большое количество отдельных видов клеток, способствует тому, что кортикальная область приспосабливается к новому источнику притока сенсорных чувствительных сигналов.
Основным техническим достижением, которое делает возможным создание различных нейропротезных устройств, стала возможность лаборатории (объявлено о которой было в декабре прошлого года) регистрировать мозговые сигналы от почти 2000 клеток мозга одновременно, что является беспрецедентным количеством, как говорит Николелис. В конечном счете, исследователи надеются регистрировать электрическую активность, продуцируемую одновременно 10 тысячами корковых нейронов. Такая крупномасштабная регистрация активности мозга, по словам Николелиса, позволит более точно контролировать нейропротезы двигательных нервов – например, протезы, разработанные корпорацией The Walk Again Project – для восстановления возможности управления движениями парализованных людей.
Недавно консорциум The Walk Again Project получил грант в 20 миллионов долларов США от FINEP – бразильской организации, занимающейся финансированием исследований – на разработку первого контролируемого мозгом экзоскелета всего тела, направленного на восстановление подвижности тяжело парализованных пациентов. Ожидается, что первая демонстрация этой технологии пройдет в 2014 году в Бразилии на открытии Чемпионата мира по футболу.
По словам Николелиса, расширение способности восприятия также может сделать доступным новый тип контура обратной связи, улучшающий скорость и точность таких экзоскелетов. К примеру, в то время как исследователи в настоящее время пытаются использовать тактильную обратную связь, чтобы позволить пациентам почувствовать движения, производимые такими «роботизированными жилетами», обратная связь, которая обеспечивала бы пациента информацией о положении конечностей экзоскелета и соприкосновении с предметами, могла бы осуществляться также в форме радиосигнала или инфракрасного света.
Источник: medicalnewstoday.com