Имплантируемые в мозг чипы, считывающие электрические импульсы, и управляемые голубями-биодронами — когда-то элементы научной фантастики, сегодня постепенно воплощаются в жизнь. Хотя перспективы этих технологий могут вызывать опасения, нейроинтерфейсы уже сейчас предоставляют уникальные возможности, в частности, для людей, страдающих от серьезных недугов. Но что же такое нейроинтерфейсы и какие научные работы в этой области ведутся в России?
Прежде всего, стоит отметить, что нейроинтерфейс – это общий термин, обозначающий устройства, основанные на взаимодействии мозга и компьютера. Такие устройства фиксируют мозговую активность и передают полученную информацию на внешние устройства. С какой целью это делается? Во-первых, исследователи таким образом получают более подробные сведения о функционировании мозга в различных его областях. Помимо устройств, предназначенных для считывания активности, существуют также стимулирующие нейроинтерфейсы, которые могут воздействовать на нервные волокна посредством электрического импульса. Это находит применение в разнообразных сферах – от медицины до промышленности.
Нейроинтерфейсы классифицируют на имплантируемые (инвазивные), устанавливаемые непосредственно в мозг, и неимплантируемые. В настоящее время разработка нейроимплантов ведется, в частности, в лаборатории разработки инвазивных нейроинтерфейсов Института искусственного интеллекта МГУ им. М.В. Ломоносова. Эта лаборатория была основана в 2023 году и уже продемонстрировала несколько прототипов нейроимплантов.
Импланты и иммунный ответ
О работе лаборатории для «Научной России» проинформировал корреспонденту Кьяра Игоревна Макиевская, я, младший научный сотрудник лаборатории разработки инвазивных нейроинтерфейсов Института ИИ МГУ им. М.В. Ломоносова. По ее мнению, ключевая сложность в создании нейроимплантов, как и при проведении любых высокоинвазивных вмешательств, связана с реакцией организма на наличие чужеродного объекта. При попадании инородного тела в организм, он подвергается воздействию специализированных иммунных клеток, стремящихся его нейтрализовать, или, в случае невозможности этого, изолируется вспомогательными клетками — в мозге эту роль выполняют нейроглиальные клетки. Таким образом, первоочередной целью для исследователей является создание имплантов, способных подавлять иммунную реакцию.
«Биосовместимый нейроимплант представляет собой функциональный электрод, который организм распознает не как чужеродное образование. Полностью исключить реакцию организма невозможно, однако ее интенсивность можно уменьшить. Существует множество подходов к решению этой задачи: например, использование биосовместимых материалов, сложная структура электродов для обеспечения большей мягкости и эластичности импланта, применение сопутствующей противовоспалительной терапии и другие методы. Это важная задача, над которой работают специалисты во всем мире. Следовательно, приоритетной задачей нашей лаборатории является разработка наиболее биосовместимых электродов для разнообразных целей. Мы проектируем и создаем как традиционные электроды для глубокой стимуляции, так и гибкие тонкопленочные структуры, толщина которых значительно меньше диаметра человеческого волоса», — рассказала К.И. Макиевская.
Компромиссное решение
Решение вопроса о биосовместимости импланта и мозга было найдено благодаря использованию тонкопленочных полимерных электродов, размеры которых сопоставимы с толщиной человеческого волоса. Хотя данная технология пока что находится в стадии совершенствования, некоторые из разработанных решений уже прошли клинические испытания. К примеру, нейрочип, созданный компанией Neuralink, разработанный с использованием ультратонких полимерных волокон, этот имплант, по сути, является «нейроинтерфейсом» Илона Маска, который, как утверждают его создатели, в перспективе позволит человеку осуществлять управление электронными устройствами посредством мысли. К тому же, в конце 2025 года еще одна американская компания, Paradromics, компания объявила о старте клинических испытаний нейроинтерфейса, созданного для возвращения речевых способностей людям, страдающим от серьезных двигательных расстройств. По словам разработчиков, суть технологии заключается в имплантации нейроинтерфейса в область мозга, контролирующую движения губ, языка и гортани. Устройство будет фиксировать активность нейронов и передавать сигнал на внешнее устройство, отображая его в виде текста или воспроизводя синтезированную речь пациента.
Российские ученые пристально наблюдают за этими разработками и стремятся не уступать в темпах прогресса. В июне 2025 года исследователи из МГУ им. М.В. Ломоносова (Институт искусственного интеллекта, Институт физико-химической биологии, физический факультет) сообщили об успешных испытаниях тонкопленочных электродов, изготовленных на основе полиимида с добавлением тантала. Это представляет собой более экономичную альтернативу ранее применяемым благородным металлам. Ключевым преимуществом разработки является метод создания электродов с помощью лазерной обработки, что также обходится дешевле и быстрее, чем традиционная литография. Однако наиболее важным является то, что новые электроды продемонстрировали биосовместимость и безопасность для организма в ходе продолжительных испытаний, что является значительным продвижением на пути к созданию инновационных нейроинтерфейсов.
Создание тонкопленочных электродов сопряжено с определенными трудностями. Главная из них заключается в том, что сверхтонкие материалы труднее интегрировать в организм. Поэтому необходимо выбирать материалы, которые в максимально возможной степени соответствуют механическим свойствам тканей мозга. В этой связи ученые руководствуются показателем модуля Юнга, характеризующим жесткость материала: чем выше его значение, тем тверже материал и тем больше его сопротивление деформации.
«По мнению многих исследователей, активация иммунного ответа на инородное тело связана с различием в механических свойствах окружающих тканей и импланта. Ткани и органы, включая мозг, постоянно подвержены микроскопическим движениям. В процессе этих движений более жесткий имплант создает напряжение в окружающих тканях или даже может непосредственно травмировать их, особенно если, к примеру, электрод имеет острую форму. Современные научные исследования направлены на применение более гибких и мягких материалов (в сравнении с кремниевыми, платино-иридиевыми и другими), характеристики которых по модулю Юнга соответствуют свойствам нервной ткани и мозга. Вместе с тем, более мягкие материалы зачастую труднее имплантировать. Другая сложная задача – обеспечение герметичности и надежной работы всех электронных компонентов. Следовательно, выбор материала и конструкции – на текущий момент всегда представляет собой компромисс», — отмечает К.И. Макиевская.
Существуют и другие области исследований, помимо разработки электродов. По словам К.И. Макиевской, еще одно направление деятельности лаборатории — производство комплектующих материалов и оборудования, необходимого для их использования. Среди последних разработок — 3D-для работы с материалами высокой вязкости разработан принтер, позволяющий создавать прототипы электродов. В настоящее время исследователи активно внедряют в этот процесс искусственный интеллект, проводятся фундаментальные исследования, направленные на изучение возможности кооперативного обучения ИИ и животных.
Биодроны и внешнее управление импульсами
Опасность нейроинтерфейсов заключается в том, что технология, позволяющая считывать активность мозга, потенциально может быть применена для воздействия на мозг извне и даже для его контроля. Ярким примером разработки в этой области стали управляемые голуби, представленные в прошлом году российской компанией Neiry. В мозг птицы имплантируется нейрочип, который стимулирует конкретные области мозга, тем самым вызывая у голубя стремление двигаться в заданном направлении. Представители компании акцентируют внимание на том, что такое воздействие нельзя рассматривать как принудительное, поскольку оно лишь усиливает естественные биологические процессы.
Еще одна разработка компании Neiry (в сотрудничестве с учеными Института искусственного интеллекта МГУ им. М.В. Ломоносова) – нейрочипы для коров, предназначенные для увеличения надоев. Здесь электрод также имплантируется в мозг животного и оказывает воздействие на конкретные нервные импульсы, например, стимулирует потребление корма и уменьшает уровень стресса. Данная технология уже применяется на ряде российских ферм. Прежде чем быть внедренными, все эти разработки проходят тестирование в лабораторных условиях, и, по словам ученых, они тщательно следят за тем, чтобы хирургические вмешательства были максимально безболезненными и не оказывали негативного влияния на благополучие животного. Пока ученые не выявили этических ограничений и рассматривают возможность использования нейроинтерфейсов в таком ключе как многообещающее направление.
Нейроинтерфейсы и человек
Возможно ли контролировать импульсы человека подобным методом? Безусловно, строение человеческого мозга значительно сложнее, чем у птиц или других животных. Однако уже существуют подтвержденные примеры успешного применения этой технологии в медицине. Например, при болезни Паркинсона наблюдается сбой в работе двигательной системы, проявляющийся в виде мышечной скованности и тремора конечностей. Это обусловлено повышенным бета-ритмом – частотным диапазоном, свойственным состоянию бодрствования и интенсивной умственной деятельности. Чрезмерно высокий уровень часто указывает на тревожное, невротическое состояние, которое при болезни Паркинсона приобретает хронический характер. В этой ситуации на помощь приходят электроды для глубокой стимуляции мозга: их имплантируют в базальные ганглии – области серого вещества, ответственные за двигательные и вегетативные функции. Электрод влияет на активность нейронов в базальных ганглиях, уменьшая бета-ритм и тем самым устраняя основной симптом заболевания.
Врачи пока что не спешат применять этот метод лечения, ограничиваясь случаями, когда медикаментозное лечение оказалось неэффективным. Это связано с возможными нежелательными реакциями. Учитывая тесную взаимосвязь между базальными ганглиями и областями мозга, отвечающими за речь, а также потенциальный риск повреждения нервной ткани из-за прохождения электрического тока через электроды, нередко возникают проблемы с речью.
Если становится возможным получение данных о работе мозга, то на их основе можно корректировать воздействие внешнего устройства. В связи с этим, приоритетной целью для исследователей стало проектирование системы, которая будет управлять воздействием электрода на мозг в режиме реального времени. Решение было найдено в 2025 году: специалисты из Сколтеха и Института искусственного интеллекта AIRI и МГУ представили систему обучения ИИ-алгоритмов для глубокой адаптивной стимуляции мозга. Ожидается, что алгоритмы смогут на основе поступающей из мозга информации оценивать ситуацию и регулировать темпы стимуляции в зависимости от состояния пациента. Такие нейроинтерфейсы, которые могут одновременно считывать информацию и регулировать свое воздействие на мозг, называются двунаправленными нейроинтерфейсами и сегодня считаются вершиной нейротехнологий. Авторы разработки ожидают, что в будущем их станет возможным применять не только при болезни Паркинсона, но и, например, при болезни Альцгеймера и обсессивно-компульсивном расстройстве.
Источники:
Химия и жизнь. Нейроинтерфейс: как и зачем
СПбГУ. В рамках проекта «Бозон смысла» ученый из Санкт-Петербургского государственного университета поделился информацией о биодронах, технологиях редактирования генома и перспективах развития человечества»
ТАСС. Компания Neiry из России продемонстрировала первых голубей, используемых в качестве биодронов
Neiry. На российских фермах начали использовать коров, оснащенных нейрочипами
Сколтех. Инновационное устройство, предназначенное для адаптивной глубокой стимуляции мозга, позволит проводить лечение болезни Паркинсона с большей безопасностью
Наука ТВ. На рынок выходит новый имплантат, который конкурирует с разработками Neuralink и готовится к клиническим испытаниям
Фото: DC Studio / Freepik; rawpixel / 123RF; cc0collection / 123RF