Управление мозгом через интернет: корейские инженеры протестировали нейроимплант RAPIDO на расстоянии 10 тысяч километров

Инженеры из Южной Кореи продемонстрировали возможность дистанционного управления беспроводным мозговым имплантатом, установленным в мозг лабораторной крысы, на расстоянии более 10 тысяч километров. Сигнал был отправлен из Чикаго, США, на устройство, находившееся в Тэджоне, Южная Корея, — расстояние между городами составляет 10 596 километров. Технология, получившая название RAPIDO, была разработана учеными из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и Университета Ёнсе. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances.

RAPIDO представляет собой беспроводной оптофлюидный нейроимплант, работающий на основе технологий интернета вещей (IoT). Устройство выполнено в размере примерно с кубик сахара (11,8 x 9,4 x 24,4 мм) и весит 2,5 грамма, что позволяет крысе свободно перемещаться во время эксперимента.

Внутри импланта установлены две основные функциональные системы. Микрофлюидная система доставляет лекарственные препараты в заданные области мозга через крошечный канал. Микросветодиоды (micro-LED) позволяют с помощью света контролировать активность конкретных нейронов. Обе функции могут активироваться как по отдельности, так и одновременно, а также программироваться на автоматическое срабатывание в заданное время.

Устройство оснащено сменным картриджем для лекарств, который крепится с помощью магнита. При истощении запаса препарата картридж можно заменить или дозаправить без проведения повторной хирургической операции по извлечению импланта. Это позволяет проводить долгосрочные повторные эксперименты на одних и тех же животных в течение нескольких месяцев.

Имплант потребляет менее 1 мВт мощности и обеспечивает три уровня регулировки скорости подачи жидкости. Нагрев устройства во время работы не превышает 0,13 °C, что практически не оказывает теплового воздействия на окружающие ткани мозга.

В ходе демонстрационного эксперимента исследователь, находившийся в Чикаго, отправлял команды через интернет на компьютер в лаборатории в Тэджоне. Компьютер, в свою очередь, передавал команду на имплант по беспроводному каналу. Среднее время отклика системы от момента отправки команды до срабатывания импланта составило 109 миллисекунд. Эксперимент подтвердил, что устройство сохраняет стабильную работу при управлении через интернет на межконтинентальных расстояниях.

Ученые проверили работу импланта в двух сериях экспериментов на крысах, наблюдая за поведением животных в течение четырёх недель после имплантации.

На начальном этапе испытаний исследователи проверили работу микроимпланта, вводя подопытным крысам различные дозы растительного алкалоида (кокаина) точечно в прилежащее ядро мозга — ключевую зону, отвечающую за систему вознаграждения и ощущение удовольствия. Каждая микроинъекция напрямую влияла на поведение грызунов, изменяя их двигательную активность. Тесты успешно воспроизвели спустя две, три и четыре недели после операции: реакция животных оставалась стабильной. Это подтвердило, что миниатюрный прибор способен работать внутри живого организма на протяжении долгого времени, обеспечивая многократную и сверхточную доставку препаратов с предсказуемым нейробиологическим откликом.

Во втором эксперименте использовалась оптогенетика — метод, позволяющий управлять активностью клеток с помощью света. Крысам вводили алкалоид внутрибрюшинно и одновременно проводили световую стимуляцию определённого сигнального пути (RhoA) в мозге с помощью импланта. Животные, получавшие стимулятор без световой стимуляции, впоследствии демонстрировали предпочтение отсека клетки, ассоциировавшегося с введением препарата. Совершенно иначе вели себя грызуны, у которых в момент формирования условного рефлекса оптогенетически (с помощью света) запускали работу белкового каскада RhoA: у них это поведенческое предпочтение попросту не закрепилось.

Исследователи подчёркивают, что полученные результаты не означают, что устройство способно лечить кокаиновую зависимость. Эксперименты проводились на животных и имели целью демонстрацию возможностей платформы для изучения причинно-следственных связей между конкретными нейробиологическими манипуляциями и поведением.

Основная проблема традиционных методов нейробиологических исследований заключается в том, что для стимуляции нейронных цепей или введения препаратов в мозг подопытных животных часто используется оборудование со сложными проводными соединениями, что ограничивает естественные движения животных. Беспроводные устройства, существовавшие ранее, требовали непосредственного нахождения исследователя рядом с животным для управления, что создавало ограничения, связанные с расстоянием и условиями эксперимента.

Присутствие исследователя в экспериментальном пространстве или его приближение к животному для управления оборудованием может влиять на поведение подопытного. Устройство с возможностью удалённой активации позволяет снизить этот фактор вмешательства и даёт учёным из разных географических точек участвовать в одних и тех же экспериментах.

Разработка RAPIDO переводит беспроводной мозговой имплант, использующий свет и лекарства, из категории инструментов ближнего радиуса действия в полноценное интернет-устройство, которое можно контролировать из любой точки мира. Ожидается, что технология найдет применение в исследованиях заболеваний, при которых мозг и поведение изменяются в течение длительного времени, — в частности, зависимости, депрессии и дегенеративных расстройств мозга.

В долгосрочной перспективе исследователи рассматривают возможность объединения данной платформы с датчиками, регистрирующими состояние мозга, и системами искусственного интеллекта для создания интеллектуальных имплантируемых медицинских устройств, способных самостоятельно обеспечивать подачу лекарств или нейростимуляцию в необходимые моменты.

Ключевой задачей остаётся демонстрация долгосрочной безопасности и надёжности подобных устройств при применении на человеке. На текущем этапе разработка предназначена для фундаментальных нейробиологических исследований на животных моделях.

Источник: chosun.com