Киберэмбрионы: нейроимплант услышал первый шёпот разума — прямо внутри мозга зародыша
NewsMakerНаука теперь может наблюдать, как формируются нейроны. В реальном времени.
Американские учёные разработали систему гибких имплантов , которую удалось встроить в развивающиеся мозги лягушек, мышей и саламандр. Эти электронные массивы, встраиваемые в зародыши на ранних стадиях развития, позволяют с высокой точностью фиксировать активность нейронов на всём протяжении формирования центральной нервной системы. В процессе роста ткани обволакивают мягкую электронику, позволяя ей буквально стать частью организма. Созданные таким образом организмы исследователи называют «киберэмбрионами».
Главная цель проекта — дать возможность наблюдать, как из однородного слоя клеток постепенно возникает сложнейшая вычислительная структура. По словам руководителя исследования, доцента кафедры биоинженерии Гарвардского университета Цзя Лю, большинство современных нейротехнологий разрабатывалось с учётом анатомии взрослого мозга. При этом детская нейрофизиология остаётся малоизученной, а процессы, происходящие до рождения, вовсе практически недоступны для наблюдения.
Ранее доступные методы, такие как функциональная МРТ, позволяют фиксировать работу мозга целиком, но дают слишком грубое разрешение как по времени, так и в пространстве. Имплантируемые электроды , наоборот, обеспечивают высокую детализацию, но со временем теряют точность из-за стремительных изменений, происходящих в эмбриональных структурах. Ни один из этих подходов не способен обеспечить длительное и стабильное наблюдение с точностью до отдельных клеток и с разрешением в миллисекунды.
Лю и его команда приступили к решению этой проблемы ещё в 2015 году, начав с разработки ультратонких, гибких нейропротезов. Тогда учёные задумались: смогут ли такие деликатные материалы адаптироваться к быстро меняющейся морфологии развивающегося мозга? Однако даже при всей мягкости, любые попытки ввести электроды внутрь формирующихся трёхмерных структур приводили к повреждениям и нарушению развития.
Прорыв произошёл, когда исследователи сместили момент имплантации на более раннюю фазу — в период, когда нервная ткань ещё представляет собой плоский слой стволовых клеток. Сетчатая электроника вживляется именно на этом этапе, а затем, по мере того как клетки начинают формировать объёмную структуру, массивы сгибаются вместе с ними, равномерно распределяясь по всему мозгу. Электроды, по сути, становятся частью формирующейся нервной системы, не нарушая её развития.
Первоначальные версии гибких систем, несмотря на заявленную эластичность, оказались слишком жёсткими. При имплантации они разрывали ткани и мешали нормальному росту. Учёным пришлось перейти на материалы нового класса — фторированные эластомеры. Эти сверхмягкие полимеры способны растягиваться и изгибаться вместе с окружающими структурами, не теряя своих свойств. Получившаяся электронная сетка имеет толщину менее одного микрона, что делает её практически незаметной для растущих тканей.
В ходе экспериментов с зародышами лягушек и саламандр исследователям удалось стабильно фиксировать электрическую активность нейронов на протяжении всего эмбрионального развития, причём с временным разрешением в миллисекунды и пространственным охватом всего мозга. Анализы тканей не выявили признаков воспаления или нарушений в экспрессии генов, связанных со стрессом. Также не было обнаружено поведенческих аномалий: например, головастики с вживлёнными устройствами вели себя так же, как и контрольные особи, уверенно уклоняясь от препятствий.
На ранних этапах мозговая активность у таких эмбрионов носила характер медленных, синхронных колебаний, охватывающих все области. Но по мере развития активность становилась более локализованной и быстрой. В дальнейшем формировались устойчивые сигнальные паттерны, характерные для отдельных групп клеток. Это наблюдение позволило лучше понять, как в процессе роста формируются специализированные участки мозга и как развивается их координация.
Параллельно исследователи проводили имплантацию на мышиных эмбрионах и новорождённых крысах, чтобы проверить применимость технологии к млекопитающим. Предварительные результаты подтвердили возможность регистрации нейронной активности и в этих моделях, хотя дальнейшие тесты ещё предстоят.
Отдельный интерес вызвали эксперименты с аксолотлями — видом саламандр, известным своей способностью восстанавливать утраченные органы, включая участки нервной системы. Учёные ампутировали хвосты у головастиков и с помощью электродов отслеживали изменения в мозговой активности в период регенерации. Оказалось, что в этот момент в мозге происходят всплески активности, схожие с теми, что наблюдаются в раннем развитии. Это натолкнуло исследователей на гипотезу о том, что процессы восстановления тканей могут быть напрямую связаны с активацией центральной нервной системы.
В то же время учёные подчёркивают: применение подобных имплантов у человеческих эмбрионов абсолютно недопустимо с этической точки зрения. Однако сама технология может найти применение в детской медицине — например, в исследованиях или лечении нейроразвития у младенцев. Благодаря высокой гибкости и мягкости такие системы способны адаптироваться к росту мозга, не нарушая его функций.
Американские учёные разработали систему гибких имплантов , которую удалось встроить в развивающиеся мозги лягушек, мышей и саламандр. Эти электронные массивы, встраиваемые в зародыши на ранних стадиях развития, позволяют с высокой точностью фиксировать активность нейронов на всём протяжении формирования центральной нервной системы. В процессе роста ткани обволакивают мягкую электронику, позволяя ей буквально стать частью организма. Созданные таким образом организмы исследователи называют «киберэмбрионами».
Главная цель проекта — дать возможность наблюдать, как из однородного слоя клеток постепенно возникает сложнейшая вычислительная структура. По словам руководителя исследования, доцента кафедры биоинженерии Гарвардского университета Цзя Лю, большинство современных нейротехнологий разрабатывалось с учётом анатомии взрослого мозга. При этом детская нейрофизиология остаётся малоизученной, а процессы, происходящие до рождения, вовсе практически недоступны для наблюдения.
Ранее доступные методы, такие как функциональная МРТ, позволяют фиксировать работу мозга целиком, но дают слишком грубое разрешение как по времени, так и в пространстве. Имплантируемые электроды , наоборот, обеспечивают высокую детализацию, но со временем теряют точность из-за стремительных изменений, происходящих в эмбриональных структурах. Ни один из этих подходов не способен обеспечить длительное и стабильное наблюдение с точностью до отдельных клеток и с разрешением в миллисекунды.
Лю и его команда приступили к решению этой проблемы ещё в 2015 году, начав с разработки ультратонких, гибких нейропротезов. Тогда учёные задумались: смогут ли такие деликатные материалы адаптироваться к быстро меняющейся морфологии развивающегося мозга? Однако даже при всей мягкости, любые попытки ввести электроды внутрь формирующихся трёхмерных структур приводили к повреждениям и нарушению развития.
Прорыв произошёл, когда исследователи сместили момент имплантации на более раннюю фазу — в период, когда нервная ткань ещё представляет собой плоский слой стволовых клеток. Сетчатая электроника вживляется именно на этом этапе, а затем, по мере того как клетки начинают формировать объёмную структуру, массивы сгибаются вместе с ними, равномерно распределяясь по всему мозгу. Электроды, по сути, становятся частью формирующейся нервной системы, не нарушая её развития.
Первоначальные версии гибких систем, несмотря на заявленную эластичность, оказались слишком жёсткими. При имплантации они разрывали ткани и мешали нормальному росту. Учёным пришлось перейти на материалы нового класса — фторированные эластомеры. Эти сверхмягкие полимеры способны растягиваться и изгибаться вместе с окружающими структурами, не теряя своих свойств. Получившаяся электронная сетка имеет толщину менее одного микрона, что делает её практически незаметной для растущих тканей.
В ходе экспериментов с зародышами лягушек и саламандр исследователям удалось стабильно фиксировать электрическую активность нейронов на протяжении всего эмбрионального развития, причём с временным разрешением в миллисекунды и пространственным охватом всего мозга. Анализы тканей не выявили признаков воспаления или нарушений в экспрессии генов, связанных со стрессом. Также не было обнаружено поведенческих аномалий: например, головастики с вживлёнными устройствами вели себя так же, как и контрольные особи, уверенно уклоняясь от препятствий.
На ранних этапах мозговая активность у таких эмбрионов носила характер медленных, синхронных колебаний, охватывающих все области. Но по мере развития активность становилась более локализованной и быстрой. В дальнейшем формировались устойчивые сигнальные паттерны, характерные для отдельных групп клеток. Это наблюдение позволило лучше понять, как в процессе роста формируются специализированные участки мозга и как развивается их координация.
Параллельно исследователи проводили имплантацию на мышиных эмбрионах и новорождённых крысах, чтобы проверить применимость технологии к млекопитающим. Предварительные результаты подтвердили возможность регистрации нейронной активности и в этих моделях, хотя дальнейшие тесты ещё предстоят.
Отдельный интерес вызвали эксперименты с аксолотлями — видом саламандр, известным своей способностью восстанавливать утраченные органы, включая участки нервной системы. Учёные ампутировали хвосты у головастиков и с помощью электродов отслеживали изменения в мозговой активности в период регенерации. Оказалось, что в этот момент в мозге происходят всплески активности, схожие с теми, что наблюдаются в раннем развитии. Это натолкнуло исследователей на гипотезу о том, что процессы восстановления тканей могут быть напрямую связаны с активацией центральной нервной системы.
В то же время учёные подчёркивают: применение подобных имплантов у человеческих эмбрионов абсолютно недопустимо с этической точки зрения. Однако сама технология может найти применение в детской медицине — например, в исследованиях или лечении нейроразвития у младенцев. Благодаря высокой гибкости и мягкости такие системы способны адаптироваться к росту мозга, не нарушая его функций.