Нейротехнологии – это быстро развивающаяся область, посвященная пониманию устройства мозга и созданию технологий, которые с ним взаимодействуют.

Симбиоз мозга и компьютера

Ускорить работу мозга, при этом снизив энергозатраты, помогут мемристоры, которые легли в основу нового подхода компьютерных вычислений – нейроморфной инженерии.

Мемристоры способны изменять свое сопротивление в зависимости от протекающего через него электрического тока. Такой эффект сравнивают с синаптической пластичностью, то есть изменением возможности синапса – контакта между нервными клетками – передавать возбуждение от одного нейрона к другому. Такое свойство человеческого мозга позволяет запоминать и учиться чему-то новому.






Мемристор обладает энергонезависимой памятью, которая может быть эффективнее флеш-памяти, использующейся в компьютерах и смартфонах. Это значит, что система, основанная на мемристорах, не будет «загружаться»: работа продолжится ровно с того места, на котором ее остановили в прошлый раз.

Нижегородские ученые попробовали встроить математическую модель мемристора в биофизическую модель нейросети, которая имитирует передачу между нервными клетками тормозных сигналов. Они необходимы для поддержания баланса процессов возбуждения и торможения в мозге.

В итоге на динамике модели это не сказалось: получается, что мемристор возможно внедрить в сложные нейронные сети, имитирующие системы человеческого мозга. Такая технология позволит в будущем повысить эффективность нейроморфных вычислительных систем – устройств, действующих по аналогии с человеческим мозгом.

Так зачем же нужны мемристоры? Возьмем хотя бы всемирно известный чат-бот с искусственным интеллектом Chat GPT. Для общения с 100 млн пользователей он использует порядка 300 млрд параметров, а новые версии будут иметь уже 100 триллионов параметров, которые потребуются для обслуживания 200 млн человек. В таком случае всей энергетики США не хватит на поддержание этой модели.

В целом 30% энергетики всего мира тратится на информационные технологии, а с каждым годом эта цифра лишь увеличивается. Таким образом, ученые пришли к мысли о необходимости разработки новой архитектуры вычислительных систем, построенных на новых принципах и которые будут тратить меньше энергии.

«Так или иначе мы приближаемся к потолку наших возможностей, когда наше энергообеспечение уже не может справляться с таким потоком информационных технологий. Это означает, что в будущем все страны разделятся на два полюса: одни смогут себе позволить обслуживать информационные технологии, потому что у них есть энергия, есть ресурсы, а другие просто не смогут. Что это означает? Это означает, что те страны, которые не производят необходимое количество энергии, будут обречены на технологическое отставание. Чтобы этого не произошло, нужно отрабатывать новые архитектуры вычислительных систем, которые будут тратить меньше энергии, в том числе и основанные на мемристорах», – рассказывает доктор физико-математических наук, профессор ИББМ ННГУ им. Лобачевского Сусанна Гордлеева.

От маленькой лаборатории до целого института

В 2015 году на базе ННГУ открылся Научно-исследовательский институт нейронаук, который объединил в себе ученых разных профилей – от биологов до нейропсихологов. Совместными силами они проводят исследования в сферах от молекулярно-клеточной нейробиологии до когнитивных исследований.

«Это была настоящая конвергенция, когда в одной лаборатории мы делаем какие-то мозгоподобные элементы из неорганических материалов, а рядом строят модели мозга из живых нейронов, которые живут по тем же самым законам или описываются теми же самыми динамическими уравнениями, что и наши мемристоры», – вспоминает кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией мемристорной наноэлектроники НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ им. Лобачевского Алексей Михайлов.

Во главе исследований НИИ нейронаук – нейроморфные технологии – системы, архитектура и принципы действия которых имеют сходство с биологическим мозгом и затрачивают намного меньше электроэнергии. Для их обслуживания команда ученых Университета Лобачевского разрабатывает математические модели нейронных сетей, которые строятся на биолого-правдоподобных принципах. Так, например, работает робототехника, беспилотники и различные нейроинтерфейсы.

«Нейроморфные технологии уже в ближайшем будущем будут превосходить по своей производительности практически все существующие решения в самых разных областях – от высокотехнологичной медицины до всех беспилотных транспортных систем. Нейроморфные технологии искусственного интеллекта обладают очень высокой энергоэффективностью, по другим принципам обрабатывают информацию. Соответственно, это позволит экономить электроэнергию на вычислительных устройствах и войдет во все сферы нашей жизни», – объясняет Сусанна Гордлеева.

Российские Маски

Одним из направлений работы с мемристорными технологиями в ННГУ является разработка нейропроцессоров. Сейчас исследователи разрабатывают чип, который в будущем можно будет применять в медицине, биологических системах, компьютерных технологиях. В таком чипе, с одной стороны, присутствует живая культура, а с другой, нейронная сеть на основе мемристоров.

По итогам работы в прошлом году нижегородские ученые смогли создать схематичный аналог мозга человека с таким чипом. Они впервые в мире соединили живую систему нервных клеток с искусственной нейронной сетью на основе мемристоров. При помощи такой технологии в будущем можно будет заменять поврежденные участки мозга нейросетевыми «имплантами».

Сейчас нейробиологи бьются над тем, чтобы передать мемристору принцип работы живого мозга. Делают это при помощи микроскопа с манипуляторами. Туда помещают часть головного мозга мыши, отвечающей за память, и записывают сигналы нейронов, которыми они «обмениваются» друг с другом.

Мыши-мутанты

К слову, с мышами связаны и другие исследования ННГУ. Среди них – изучение наследственных заболеваний и патологий: эпилепсии, болезни Паркинсона, Альцгеймера, ишемической болезни сердца, онкологии и гипоксии. Все эти болезни моделируют на мышах, чтобы понять, как конкретно реагирует организм на то или иное заболевание и как оно развивается. Кроме того, на грызунах тестируют новые лекарства, чтобы впоследствии использовать их для человека.

Причем же тут нейротехнологии? Раньше лабораторных мышей, моделирующих такие заболевания, нижегородские ученые заказывали из-за рубежа, однако из-за санкций поставки затруднились. Тогда выращивать мышей ученые лаборатории трансгенеза НИИ нейронаук ННГУ начали своими силами.

Всего в Центре генетических коллекций лабораторных животных ННГУ насчитывается более 20 линий мышей-мутантов с различными патологиями. 15 из них – это животные с эпилепсией, остальные – с нарушениями походки (мыши линии «Кривильян»), болезнями Альцгеймера, Паркинсона, проблемами с корой головного мозга.

Отличить ГМО-мышат от настоящих практически невозможно. Как правило, они тоже имеют серую блестящую шерстку, четыре лапы, два уха и нормальные зубы. Однако если идет речь о внесении гена с конкретным наследственным заболеванием, то все будет зависеть от него. Так, если была добавлена мутация, отвечающая за эпилепсию, то мышь будет демонстрировать судороги. В свою очередь грызуны с болезнью Альцгеймера имеют плохую память и быстрее стареют, чем их сородичи. Все это выявляют на поведенческих тестах.

«В создании мутантных мышей всё «100% натуральное»: и половые клетки, и суррогатные мамы, и гены, которые мы вырезаем или добавляем. Когда мы говорим о мутантах, сразу в голове возникают картинки из «Черепашек Ниндзя», «Халка» и других продуктов массовой культуры. Однако на самом деле, если речь идёт о редактировании ДНК с помощью технологий трансгенеза, у мышей не вырастет вторая голова, они могут быть неотличимы от «обычной» мышки», – рассказывает младший научный сотрудник НИИ нейронаук ННГУ Ангелина Кустова.

Человечество осваивает телепатию

Еще одно направление нейроисследований – это разработка нейроинтерфейсов, применяемых в обучении, медицинской реабилитации и спортивных тренировках. Этим занимаются исследователи лаборатории нейродинамики и когнитивных технологий.

Нейроинтерфейс (интерфейс «мозг-компьютер») позволяет передавать информацию из мозга непосредственно на устройство - смартфон, компьютер, протез, которыми человек может управлять «силой мысли». И в этом нет никакой мистики: нейроинтерфейс просто регистрирует электрическую активность мозга и перерабатывает ее в команды для исполнительных устройств.

У всех инвазивных (встраиваемых внутрь) нейроинтерфейсов есть недостаток – пока их нельзя вживлять без медицинских показаний. Кроме того, встроенные в мозг электроды работают через некоторое время обрастают соединительной тканью. Тогда сигнал с нейроинтерфейса ухудшается или пропадает совсем.

Чтобы найти оптимальное решение, научное сообщество работает над созданием биосовместимых материалов для инвазивных нейроинтерфейсов, а также разрабатывает неинвазивные нейроинтерфейсы. Такими разработками занимаются как раз в НИИ нейронаук ННГУ.

Заставить мозг работать быстрее

Другое революционное исследование нижегородских нейротехнологов – транскраниальная магнитная стимуляция, которая позволяет безопасно и неинвазивно воздействовать на нейронные сети головного мозга.

Как это работает? К голове испытуемого прикладывается магнитная катушка, которая создает переменное магнитное поле. Это поле фокусируется на коре головного мозга и создаёт вихревое электрическое поле, воздействующее на активацию нейронной сети, доходя до мышцы.

С помощью такого метода можно буквально активировать или ускорять работу мозга: согласно проведенным тестам в лаборатории, в течение полутора часов после процедуры человек быстрее думает и принимает решение. А если проводить такую процедуру ежедневно в течение недели, эффект станет хроническим.

Магнитная стимуляция применяется и в реабилитации: например, это может помочь пожилым людям нормализировать работу тела или в лечении различных заболеваний позвоночника и мышц.

НИИ нейронаук – молодой институт. Всего на его базе функционирует семь лабораторий, в каждой из которых ведутся перспективные исследования. В скором будущем они смогут обогатить отечественную науку важнейшими открытиями в области нейротехнологий.

Ранее на сайте pravda-nn.ru сообщалось, что химики ННГУ им. Лобачевского рассказали о новейших разработках. Среди них – плащ с защитой от беспилотников, на который нанесен термоэлектрик, вырабатывающий при ношении теплоэнергию, тем самым согревая человека и защищая его от тепловизоров БПЛА.

Парализованные снова встанут на ноги

Нижегородским ученым также есть чем гордиться в области нейротехнологий. Например, экзоскелетом «E-Helper», который заново учит ходить парализованных людей.

Управляется такая конструкция разными способами: есть автоматический режим, когда различные параметры (высота и длина шага, длина стопы) загружаются в систему через смартфон, а дальше экзоскелет несет человека по заданному алгоритму, автоматически удерживая равновесие. Есть ручной режим, когда конструкция управляется пальцами руки – здесь уже можно поднять ногу на произвольную высоту, сделать произвольное движение, ходить по лестницам и перешагивать бордюры.

Такой экзоскелет также может использоваться в реабилитации. Когда человек хочет поднять руку, в коре головного мозга происходит провал ритма. То же самое наблюдается, когда человек хочет сделать это движение, но не может, так как парализован. Тогда провал используется в качестве сигнала для управления нейроинтерфейсом – тем самым экзоскелетом.

«Когда пациент намеревается сделать движение рукой, мы это регистрируем, передаем на экзоскелет, и экзоскелет совершает это движение рукой. Тогда у человека замыкается петля сенсомоторной связи и активируются механизмы нейропластичности, которые помогают реорганизовать нейронные сети и восстанавливают их работу. Именно в этом и заключается процесс реабилитации, например, таких моторных нарушений», – объясняет Сусанна Гордлеева.