Ультразвук вместо электричества для общения с мозгом
Недавно американские компании Forest Neurotech и Butterfly Network объявили о совместных исследованиях, направленных на разработку ультразвукового устройства класса интерфейс мозг-компьютер (brain-computer interface, BCI). Эта система принципиально отличается от аналогов, поскольку обычно BCI взаимодействуют с мозгом с помощью электричества, а не ультразвука.
Forest Neurotech лицензирует компактную технологию "ультразвук на чипе" компании Butterfly Network, чтобы разработать минимально инвазивное ультразвуковое устройство BCI для использования в академических и ученых учреждениях.
Большинство систем BCI измеряют активность мозга, считывая электрические сигналы, а некоторые также электрически стимулируют мозг. В предлагаемом Forest Neurotec устройстве для взаимодействия с мозгом будут использоваться высокочастотные звуковые волны. Научные принципы, лежащие в основе этого подхода, необычны, но просты. Прямые сфокусированные ультразвуковые волны могут изменять потенциалы действия нейронов — ионные токи, с помощью которых клетки мозга общаются друг с другом. Ультразвук также можно использовать для оценки нейронной активности в областях мозга, измеряя локальные изменения кровотока с помощью доплеровского эффекта. Эта техника известна как функциональная ультразвуковая визуализация (fUSI).
Главный технический директор Forest Neurotech Уильям Бидерман говорит, что
Технология Butterfly позволит нашей команде создать BCI, который, будучи имплантированным в череп пользователя, будет использовать ультразвук для стимуляции и записи данных из мозга "с субмиллиметровой точностью".
Ультразвук имеет определенные преимущества перед другими методами нейростимуляции и визуализации. При стимуляции сфокусированные ультразвуковые волны могут гибко воздействовать на определенные области мозга, находясь вне черепа. В отличие от этого, методы электростимуляции более пространственно ограничены, поскольку электричество не проходит далеко через ткани мозга, поэтому для электростимуляции глубоких областей мозга требуются инвазивные хирургические процедуры, при которых электроды размещаются вблизи соответствующих участков. Для электрической записи из мозга требуются либо глубокие имплантаты, либо электроды на скальпе, которые могут регистрировать активность только из областей мозга, расположенных вблизи поверхности. Запись глубокой нейронной активности с помощью ультразвука не может быть осуществлена через череп, но это можно сделать, удалив часть черепа и положив устройство на поверхность мозга.
В ультразвуковом оборудовании Butterfly на одном устройстве размером с чип реализованы возможности генерации, управления и записи звука, присущие большим клиническим ультразвуковым системам. Forest планирует использовать эти ультразвуковые чипы для стимуляции участков мозга с помощью направленных и сфокусированных ультразвуковых волн, а также для измерения нейронной активности с помощью fUSI.
Метод fUSI оценивает изменения в нейронной активности путем измерения изменений в кровотоке. Нейронам, как и всем клеткам, для функционирования необходима кровь. Увеличение нейронной активности требует увеличения кровотока, что измеряется методом fUSI путем проецирования ультразвука на интересующую область мозга и записи волн, которые отражаются от нее. Когда звук отражается от массы текущей крови, возвращающиеся звуковые волны колеблются на частоте, отличной от частоты излучения. fUSI использует это явление доплеровского сдвига для оценки изменений в кровотоке и, косвенно, электрохимической активности нейронов.
Ультразвук может как регистрировать, так и контролировать нейронную активность. Недавние эксперименты, в которых ультразвуковая энергия направлялась на изолированную ткань мозга грызунов, показали нейробиологам, что определенные ионные каналы кальция открываются под воздействием высокочастотных звуковых волн, хотя точная физика этого взаимодействия до сих пор остается загадкой.
Для того чтобы стимулировать и записывать информацию с помощью своего BCI, система Forest потребует имплантации нескольких ультразвуковых чипов Butterfly в череп пользователя. В то время как ультразвуковая стимуляция эффективна через кость, методы записи fUSI так не работают. При прохождении через череп звук глушится, а затухание исходящего и обратного звука делает полностью неинвазивную систему записи ультразвука неприемлемой. Вместо этого компания планирует поместить датчики в череп вровень с поверхностью твердой мозговой оболочки — защитной мембраны, покрывающей мозг.
