Мозговые чипы, считывающие импульсы электроды, управляемые голуби-биодроны, некогда принадлежавшие миру научной фантастики, теперь потихоньку становятся нашей реальностью. И пусть она иногда кажется пугающей, но уже сейчас нейроинтерфейсы открывают новые возможности — например, для людей с тяжелыми заболеваниями. Но что такое нейроинтерфейсы и какие разработки в этом направлении осуществляются в России?
Начать следует с того, что нейроинтерфейс — это собирательное название для устройств, в основе которых лежит взаимодействие мозга и компьютера. То есть устройство считывает мозговую активность и выводит информацию на внешний носитель. Зачем это нужно? В первую очередь, ученые получают таким образом больше данных о работе мозга на различных участках. Но помимо считывающих, бывают еще и стимулирующие нейроинтерфейсы, которые способны воздействовать на нервные волокна с помощью электрического тока. И это может использоваться в самых разных отраслях – от медицины до промышленности.
Нейроинтерфейсы также можно разделить на имплантируемые (инвазивные), которые напрямую контактируют с мозгом, и неимплантируемые. Созданием нейроимплантов сейчас занимается, например, лаборатория разработки инвазивных нейроинтерфейсов Института искусственного интеллекта МГУ им. М.В. Ломоносова. Эта лаборатория существует с 2023 г. и уже представила несколько прототипов нейроимплантов.
Фото: rawpixel / 123RF
Импланты и иммунный ответ
О деятельности лаборатории корреспонденту «Научной России» рассказала Кьяра Игоревна Макиевская, младший научный сотрудник лаборатории разработки инвазивных нейроинтерфейсов Института ИИ МГУ им. М.В. Ломоносова. По ее словам, сейчас главная проблема при разработке нейроимплантов заключается, как и при любых высокоинвазивных операциях, в реакции человеческого организма на инородное тело. Когда инородный предмет попадает в организм, он пытается либо «съесть» его специализированными иммунными клетками, либо, если это невозможно, изолировать с помощью вспомогательных клеток — в мозге такую функцию выполняют клетки нейроглии. Соответственно, основной задачей для ученых сейчас стала разработка таких имплантов, которые нивелировали бы иммунный ответ организма.
«Биосовместимый нейроимплант — это функциональный электрод, который организм не будет воспринимать как инородное тело. Совсем исключить реакцию невозможно, но снизить интенсивность можно. Способов много: например, подбор биосовместимых материалов, сложная топология электродов для большей мягкости и эластичности импланта, сопутствующая противовоспалительная фармакологическая терапия и т.д. Это серьезная задача, которой занимается все научное сообщество в этой области. Таким образом, ключевая задача нашей лаборатории — разработка наиболее биосовместимых электродов для широкого спектра применения. У нас разрабатываются и прототипируются как классические электроды для глубокой стимуляции, так и гибкие тонкопленочные, толщиной значительно тоньше человеческого волоса», — рассказала К.И. Макиевская.
Компромиссное решение
Итак, решение проблемы биосовместимости импланта и мозга нашли в тонкопленочных полимерных электродах — таких, которые тоньше человеческого волоса. Эта технология пока находится на стадии развития, тем не менее некоторые разработки уже успешно прошли клинические испытания. Это, например, нейрочип от компании Neuralink, созданный на основе тончайших полимерных нитей, — те самые «мозговые чипы» Илона Маска, которые в будущем, по словам разработчиков, позволят человеку управлять электроникой силой мысли. Кроме того, в конце 2025 г. другая американская компания, Paradromics, заявила о начале клинических испытаний нейроинтерфейса, предназначенного для восстановления речевых функций у людей с тяжелыми двигательными нарушениями. Как рассказали авторы проекта, расчет заключается в том, что нейроинтерфейс вводится в отдел мозга, отвечающий за движения губ, языка и гортани, фиксирует движения нейронов и выводит сигнал на внешнее устройство в форме текста на экране или синтезированного голоса пациента.
Российские ученые внимательно следят за этими разработками и стараются не отставать. Так, в июне 2025 г. специалисты из МГУ им. М.В. Ломоносова (Институт искусственного интеллекта, Институт физико-химической биологии, физический факультет) рассказали об успешных испытаниях тонкопленочных электродов на основе полиимида с применением тантала. Это более дешевая альтернатива ранее используемым благородным металлам. Революционность разработки заключается в том, что электроды создавались с помощью лазерной обработки, — это тоже дешевле и быстрее по сравнению с традиционной литографией. Но главное — новые электроды смогли доказать биосовместимость и безопасность для организма в течение долгого периода, а это уже серьезный шаг к созданию новых нейроинтерфейсов.
Однако в разработке тонкопленочных электродов есть свои сложности. Первая и основная — сверхтонкие материалы сложнее имплантировать в организм. Приходится подбирать материалы, которые бы механически соответствовали мозговым тканям, насколько это возможно. Здесь ученые ориентируются на модуль Юнга, определяющий жесткость материала: чем он выше, тем материал жестче и тем, соответственно, выше его сопротивление упругой деформации.
«Многие ученые сходятся во мнении, что запуск реакции на инородное тело обусловлен механическим несоответствием окружающих тканей и импланта. На самом деле ткани и органы, в том числе мозг, всегда немного двигаются. И при этих микродвижениях более жесткий имплант вызывает напряжение окружающих тканей или даже прямо травмирует их, если, например, электрод будет слишком острым. Научные работы последних лет ориентируются на использование более гибких и мягких материалов (по сравнению с кремниевыми, платино-иридиевыми и т.д.), которые по модулю Юнга ближе к нервной ткани, мозгу. Однако более мягкие материалы часто сложнее имплантировать. Еще одна нетривиальная задача — обеспечить герметичность и стабильную работу всех электронных компонентов. Таким образом, выбор материала и дизайна — пока всегда компромисс», — отмечает К.И. Макиевская.
Разработка электродов – не единственное направление. По словам К.И. Макиевской, другой фронт работ в лаборатории — создание комплектующих материалов, а также сопутствующего оборудования. Одна из последних разработок — 3D-принтер для мультиматериальной печати высоковязкими материалами, с помощью которого можно будет изготавливать прототипы электродов. Наконец, ученые сейчас активно пытаются внедрить в этот процесс искусственный интеллект: фундаментальные работы направлены на изучение возможности кооперативного обучения ИИ и животных.
Фото: cc0collection / 123RF
Биодроны и внешнее управление импульсами
Пугающая сторона нейроинтерфейсов состоит в том, что основная их функция — считывание информации о мозговой активности — может использоваться и в обратную сторону, для внешнего воздействия на мозг и даже внешнего управления. Самой нашумевшей разработкой в этом направлении стали управляемые живые голуби, которых представила в прошлом году российская компания Neiry. В мозг птицы вживляется нейрочип, стимулирующий определенные участки мозга, и благодаря этому у голубя возникает «желание» лететь в нужную сторону. Правда, в компании подчеркивают, что такое воздействие нельзя считать насильственным, — оно лишь подкрепляет естественные биологические реакции.
Еще одна разработка компании Neiry (на этот раз совместно с учеными Института искусственного интеллекта МГУ им. М.В. Ломоносова) — нейрочипы для коров, которые позволяют повышать надои. В данном случае электрод также вживляется в мозг коровы и воздействует на определенные импульсы — например, стимулирует аппетит и снижает стресс. Эта технология уже используется на некоторых российских фермах. Конечно, все эти разработки предварительно тестируются в лабораториях, и, как утверждается, ученые внимательно следят за тем, чтобы операции проходили максимально безболезненно и не влияли на качество жизни животного. Во всяком случае, ученые пока не видят никаких препятствий этического характера и считают возможность подобного применения нейроинтерфейсов перспективным направлением.
Фото: DC Studio / Freepik
Нейроинтерфейсы и человек
Можно ли таким образом управлять импульсами человека? Конечно, человеческий мозг устроен гораздо сложнее, чем у птицы или другого животного. Тем не менее уже есть примеры успешного использования данной технологии в медицине. Так, при болезни Паркинсона происходит нарушение двигательной системы организма, характерные симптомы — мышечная ригидность вкупе с тремором конечностей. Это происходит из-за повышенного бета-ритма — диапазона, характерного для состояния активного бодрствования и усиленного умственного напряжения. Слишком высокий показатель обычно означает тревожное, невротическое состояние, которое при болезни Паркинсона становится постоянным. И вот здесь в игру вступают электроды для глубокой стимуляции мозга: они вживляются в базальные ганглии — скопления серого вещества, как раз отвечающие за двигательные и вегетативные функции. Электрод воздействует на выработку нейронов в базальных ганглиях и снижает бета-ритм, купируя таким образом основной симптом болезни.
Пока врачи с осторожностью относятся к этому методу лечения и назначают его только в тех случаях, когда медикаментозная терапия не помогает. Причина — побочные эффекты. Поскольку базальные ганглии тесно взаимодействуют с речевыми центрами мозга, а электроды, пропуская ток, могут вызывать повреждения нервной ткани, в таких случаях часто наблюдаются нарушения речи.
Но если можно считывать информацию о мозговой активности, значит на основании этих данных можно регулировать воздействие внешнего устройства. Поэтому основной задачей для ученых стало создание механизма, контролирующего воздействие электрода на мозг в режиме реального времени. Выход был найден в 2025 г.: ученые из Сколтеха, Института искусственного интеллекта AIRI и МГУ представили систему обучения ИИ-алгоритмов для глубокой адаптивной стимуляции мозга. Ожидается, что алгоритмы смогут на основе поступающей из мозга информации оценивать ситуацию и регулировать темпы стимуляции в зависимости от состояния пациента. Такие нейроинтерфейсы, которые могут одновременно считывать информацию и регулировать свое воздействие на мозг, называются двунаправленными нейроинтерфейсами и сегодня считаются вершиной нейротехнологий. Авторы разработки ожидают, что в будущем их станет возможным применять не только при болезни Паркинсона, но и, например, при болезни Альцгеймера и обсессивно-компульсивном расстройстве.
Источники:
Химия и жизнь. Нейроинтерфейс: как и зачем
ТАСС. Российская компания Neiry презентовала первых голубей-биодронов
Neiry. Коровы с нейрочипами появились на российских фермах
Наука ТВ. Новый имплантат бросает вызов Neuralink и выходит на клинические испытания
Фото: DC Studio / Freepik; rawpixel / 123RF; cc0collection / 123RF
