9 проектов Министерства обороны США для расширения физических возможностей человека
Американская армия на сегодняшний день является одной из сильнейших во всем мире, обладающей высокотехнологичным вооружением во всех сферах и высокой мобильностью, позволяющей быстро перемещать своих солдат в любой регион, где они могут потребоваться. Но Министерство обороны США занимается не только приготовлением к войне, как нас постоянно пытаются убедить некоторые СМИ. В его структуре есть особенное подразделение, которое занимается поддержкой и разработкой инновационных технологий в различных сферах и, в частности, в интересах здравоохранения.
Это подразделение - Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) или Управление перспективных исследовательских проектов, которое иногда называют "управлением сумасшедших научных проектов" и задачей которого является сохранение технологического превосходства вооруженных сил США, предотвращение внезапного для США появления новых технических средств вооружённой борьбы, поддержка прорывных исследований, преодоление разрыва между фундаментальными исследованиями и их применением в военной и гражданской сфере. В этом обзоре мы хотели бы познакомить вас с несколькими проектами DARPA, которые находятся на самой передовой позиции науки, которая занимается улучшением возможностей человека, изменением его физических и психических возможностей, которые когда-нибудь, возможно, сделают из нас сверхлюдей.
Загрузить в мозг новые знания и навыки
Два года назад DARPA анонсировала свою программу Targeted Neuroplasticity Training (TNT). Цель этой программы - использование различных безопасных методов нейростимуляции для активации синаптической пластичности, т.е. способности мозга изменять точки соединения нейронов и приспосабливаться таким образом к изменениям окружающей среды. По мнению специалистов DARPA, эта пластичность напрямую связана с обучением.
DARPA надеется научиться вводить нервную систему человека в такой режим, который позволит мозгу быстрее обучаться. Т.е. в рамках этого проекта ученые надеются получить возможность "загружать в мозг новые знания". Т.е. вместо того, чтобы изучать, например, новый язык путем длительных тренировок и уроков, человек может просто "загрузить в голову" все нужные знания, переведя мозг в состояние высокой восприимчивости.
С этой целью DARPA планирует создать устройство, которое активирует пластичность за счет стимуляции периферических нервов через кожу.
Программа основное внимание уделяет обучению когнитивным навыкам. Люди используют эти навыки, чтобы фокусироваться, обрабатывать, запоминать и организовывать информацию, разделять внимание на несколько задач одновременно, определять особенности и общие характеристики и т.п.
Эта технология, если ученые добьются успеха, позволит снизить стоимость и сократить продолжительность обучения разным навыкам, быстро получать специалистов по иностранному языку, аналитиков разведки, криптографов и т.п. При этом предполагается, что новая технология, если она будет когда-либо разработана, будет предназначаться не только для целей военного ведомства, но и будет доступна обычным людям.
В рамках этого проекта DARPA сейчас финансирует восемь проектов в семи университетах. Все проекты являются частями единых усилий по разработке подобной технологии.
Научиться регенерации мышц
Ученые из Питсбургского и ряда других университетов (США) недавно получили заказ и финансирование DARPA на разработку устройства, сочетающего в себе искусственный интеллект, биоэлектронику и технологии регенеративной медицины для восстановления мышечной ткани, особенно после боевых травм.
Когда повреждено более 20% мышц, ткань не может регенерировать, и вместо недостающей мышцы образуется жесткий рубец, что часто приводит к значительной инвалидности. Ученые предполагают создать устройства, которое изменит окружающую среду внутри больших ран, чтобы помочь им зажить так, как это делают естественным путем маленькие раны. Маленькие раны обычно переходят от воспаления к этапу заживания через пару недель после травмы. Ученые предполагают обеспечить перевод больших ран в противовоспалительный режим уже на третий или четвертый день, а затем снова через несколько дней, повторяя цикл до тех пор, пока мышцы не восстановятся, не образуя рубцов. Все это будет делаться с помощью "умного" устройства, имплантированного внутрь раны.
Устройство будет отслеживать ключевые молекулярные сигналы на каждой стадии заживления - от первых часов после ранения до последующих дней и недель - и доставлять конкретные молекулы в определенное время под руководством системы на базе искусственного интеллекта.
Заставить свое тело вылечиваться самостоятельно
В середине 2014 года DARPA впервые объявило о подготовке проекта ElectRX. Цель - разработка замкнутой системы для лечения болезней путем модуляции активности периферических нервов. Ученые должны разработать систему и испытать ее в клинических условиях на людях, при этом система должна использоваться для лечения хронической боли, воспалительных заболеваний разного рода, посттравматического стресса и других болезней.
Через два с половиной года организация объявила о том, что отобрала 7 исследовательских команд, которых агентство будет финансировать в рамках этого проекта. В частности:
- Компания Circuit Therapeutics занимается разработкой экспериментальных оптогенетических методов лечения нейропатической боли.
- Группа ученых из Колумбийского университета нацелена на выяснение механизмов, которые могут позволить использовать УЗИ для лечения хронически заболеваний, включая активацию и ингибирование (подавление) нервов.
- Ученые из Института нейронной науки и психического здоровья Флори (Австралия) работает над созданием карты нервных путей, которые лежат в основе воспаления кишечника. Кроме того, они исследуют возможности применения технологий на основе кохлеарных имплантатов (обычно используются для лечения потери слуха), адаптированных для модуляции активности блуждающего нерва в ответ на сигналы обратной биологической связи для лечения воспалений кишечника.
- Группа из университета Джона Хопкинса (США). Их работа направлена на изучение корневых механизмов воспалений кишечника и влияния на них стимуляции крестцового нерва.
- Команда из Массачусетского технологического университета (США) работают над использованием магнитных наночастиц для локализованной точной нейромодуляции с помощью термической активации. Эта группа займется исследованием этих технологий для надпочечников и нервных волокон, которые регулируют их функцию.
- Группа университета Пердью (США) занимаются изучением воспалений желудочно-кишечного тракта и его чувствительности к стимуляции блуждающего нерва через шею. Они также разрабатывают модели устройств, которые будут использоваться для уменьшения воспаления в режиме контроля с помощью обратной связи.
- Специалисты из Техасского университета в Далласе (США) будут исследовать возможность стимуляции блуждающего нерва для лечения посттравматического стресса. Предполагается, что стимуляция будет усиливать известные поведенческие реакции, которые уменьшают страх и тревогу, связанные с последствиями травмы.
Разработка запасных частей тела человека
Компания Embody по заказу DARPA разрабатывает технологию для сборки коллагена на молекулярном уровне в биосовместимый ремонтный материал с настраиваемой 3D структурой для восстановления повреждений передних крестообразных связок. Создаваемый ими Microbrace - это автономный, готовый к использованию продукт, предназначенный для восстановления механической устойчивости коленного сустава по мере его постепенного восстановления с течением времени.
Такой коллагеновый имплантат, обеспечивающий прочность, достаточную для хирургической реконструкции связок, при этом позволяющий его перестроить со временем, будет весьма востребован в здравоохранении.
Система мониторинга здоровья солдат в бою
Программа DARPA, получившая название Warfighter Analytics using Smartphones for Health (WASH), предполагает разработку системы мониторинга здоровья солдат во время боевых действий, позволяющую проверять их готовность, на раннем этапе идентифицировать слабость и избегать из-за этого проблем во время миссии. В разработке участвует компания Cogito.
Система предполагает использование данных, собираемых при помощи сенсоров смартфона, для проведения пассивной непрерывной оценки состояния солдат в реальном времени. Используя акселерометр, микрофон и другие сенсоры смартфона, WASH будет вычислять физиологические сигналы, которые могут быть использованы для определения текущего состояния здоровья и идентифицировать скрытые или развивающиеся проблемы здоровья.
Кроме того, такие сенсоры будут использоваться для мониторинга работы легких и давления крови, измерения степени травмирования плеча и отслеживания движений, а также фиксации падений солдат.
В рамках программы WASH будут разрабатываться алгоритмы и методики для идентификации как известных показателей физиологических проблем (таких, как болезнь, недомогание или повреждение), так и отклонения от обычного поведения солдата, которые могут также свидетельствовать о подобных проблемах.
Супер-детектор патогенов
Агентство в конце прошлого года запустила проект, который получил название DIGET (Detect It with Gene Editing Technologies) и в рамках которого предполагается разработать устройства для обнаружения патогенных угроз, которые способны проводить до 1000 диагностических тестов менее чем за 15 минут. В идеале устройство, использующее методы редактирования генов, должно определять наличие патогена и полезные подробности о нем, такие как лекарственно-устойчивый вид, тяжесть инфекции и любые сопутствующие инфекции.
В техническом задании DARPA просит разработать два отдельных устрйоства. Первое устройство - это портативный диагностический прибор, который может подтвердить наличие как минимум 10 различных болезнетворных микроорганизмов. Устройство не должно содержать электронику и давать результаты, которые могут быть восприняты необученным человеком, как тест на беременность. Второе устройство должно быть многократно мультиплексированным и может включать в себя электронику. Инструмент должен быть способен выполнять 1000 тестов одновременно и давать более подробную информацию о патогене, например, является ли он лекарственно-устойчивым. Оба устройства должны дать ответы менее чем за 15 минут.
Предполагается, что устройство должно использовать методы редактирования генов CRISPR.
Нейропротезы нового типа
Программа DARPA, получившая название Neural Engineering System Design (NESD), предполагает разработку нейропротезов нового типа, т.е. нейронного интерфейса с высокой разрешающей способностью, который сможет восстановить и расширить человеческие чувства. Агентство уже подписало контракты с пятью исследовательскими группами и одной частной компанией, работающими над улучшением технологий типа "интерфейс мозг-компьютер". Из шести подписанных контрактов четыре относятся к работам по расширению зрительных возможностей, а оставшиеся два будут фокусироваться на слухе и речи.
В рамках проекта должна быть созданы системы нейронного интерфейса, которые должны улучшить коммуникации между мозгом и цифровыми устройствами. Идея заключалась в преобразовании электрохимических сигналов в мозге в двоичный код, который использует компьютер. Специалисты агентства начали работы над созданием миниатюрного имплантата в мозг, объемом менее одного кубического сантиметра и с улучшенными характеристиками передачи информации. Это устройство должно выполнять функции "переводчика" между цифровыми системами и электрохимическим "языком" мозга с тем, чтобы получить более эффективные коммуникации. По мнению некоторых специалистов, существует даже возможность программировать с помощью таких систем наш нейронный код.
Подобные системы должны не только помогать лечить людей, потерявших возможность чувствовать, путем ввода различных ощущений и чувств в мозг как цифровой сигнал, но и расширить возможности нашего мозга чувствовать.
Восстановление памяти после травм головного мозга
Проект Restoring Active Memory (RAM), начатый еще в 2015 году, направлен на смягчение последствий травматической травмы головного мозга у людей (в первую очередь, у военнослужащих) путем разработки нейротехнологий, облегчающих формирование памяти и ее восстановление в поврежденном мозге. Обеспечение возможности восстановления функции памяти способствовало бы поддержанию боевой готовности путем предоставления раненым людям возможности вернуться к исполнению своих обязанностей, а также улучшило бы качество жизни раненых ветеранов.
Конечной целью программы является разработка и тестирование беспроводного, полностью имплантируемого нейронного интерфейса. Для достижения этой цели ученые создают масштабные вычислительные модели с высоким пространственным и временным разрешением, которые описывают, как нейроны кодируют декларативные воспоминания - четко определенные участки знаний, которые можно сознательно вспоминать и описывать словами, например, события, время и места. Опираясь на эту работу, исследователи интегрируют вычислительные модели в новые, имплантируемые, замкнутые системы, способные обеспечить целенаправленную нейронную стимуляцию для восстановления нормальной функции памяти.
RAM проводит исследования на животных и людях, чтобы продвинуть состояние современных количественных моделей, которые учитывают кодирование и поиск сложных воспоминаний и атрибутов памяти, включая их иерархические ассоциации друг с другом.
Улучшение возможностей приобретения новых навыков
Проект RAM Replay направлен на поддержку военной подготовки и улучшения ее эффективности путем использования неинвазивных вмешательств для ускорения и повышения качества военного обучения людей. DARPA предполагает, что такая технология может повысить военную готовность за счет сокращения времени, необходимого для реагирования на непредвиденные угрозы.
Программа разрабатывает неинвазивные системы с обратной связью, которые обеспечивают нейронное "повторение" при формировании памяти и запоминании информации, чтобы помочь людям лучше помнить конкретные эпизодические события и усвоенные навыки. Исследования показали, что накопленная память активируется во время сна и бодрствования в процессе нейронного воспроизведения, который в терминах активности мозга близко воспроизводит паттерны, соответствующие кодированию памяти. DARPA изучает, как активировать процесс этого воспроизведения, частоту активации и время между проявлением каждого воспроизведения после определенной работы памяти с задачами, требующими навыка. Ученые показали, что сенсорные сигналы (например, конкретные запахи) и электрическая стимуляция кожи головы может повлиять на то, как хорошо человек заучивает определенный навык. Понимание этих процессов откроет перед нами физиологические или окружающие факторы, которые влияют на качество приобретения воспоминаний или навыков. Новейшие технологии помогают исследователям определить не только то, какие нейронные, физиологические и экологические компоненты имеют значение для формирования памяти, но и то, насколько они важны.
По материалам Futurism, DARPA, GCN, The Guardian, Engadget.
