Альтернативные нейротехнологии: от глиальных клеток до искусственного интеллекта.

Совсем недавно электроэнцефалография (ЭЭГ) отметила свой столетний юбилей, став одним из ведущих методов нейровизуализации. Опрос нескольких сотен специалистов по всему миру показал высокие ожидания от применения этого метода для мониторинга сна, предсказания эпилептических приступов в реальном времени и нейрообратной связи. В течение 20–40 лет предполагается, что ЭЭГ станет основным инструментом для раннего выявления нейродегенеративных заболеваний, персонализированного лечения психических расстройств и повседневного использования, наряду со смарт-часами и другими устройствами.

Тем не менее, некоторые области применения все еще кажутся экспертам недостижимыми. К ним относится использование ЭЭГ для «чтения мыслей», включая содержание сновидений или долгосрочную память, а также в качестве детектора лжи. Эта недостижимость объясняется тем, что в настоящее время даже для таких, казалось бы, простых задач, как декодирование эмоций или уровня стресса с помощью ЭЭГ, не существует универсального и масштабируемого решения.

Несомненно, ЭЭГ предоставляет много информации (особенно если в мозге есть выраженная патология), но также скрывает от нас немало. Чуть больше проясняет ситуацию магнитоэнцефалография (МЭГ) с её высоким пространственным разрешением. Методы, такие как функциональная МРТ (фМРТ) и функциональная инфракрасная спектроскопия (фНИРС), могут предоставить лишь косвенные данные о мозговой активности через кровоток, в то время как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) дает информацию о молекулярном составе.

Эти методы хорошо изучены, и их ограничения известны: низкое временное разрешение у фМРТ, необходимость экранированных помещений для записи МЭГ, сложности с интерпретацией данных фНИРС. Эти технологии развиваются в четко определенном и во многом предсказуемом направлении. Перед каждой из них стоят локальные технические задачи, которые еще предстоит решить. Например, для МЭГ одной из приоритетных задач остается полноценная разработка магнитометров с оптической накачкой, что могло бы значительно упростить регистрацию сигналов. Однако, хотя эти методы и эффективны, они следуют уже проторенным путем.

Даже такие вызывающие интерес, но при этом безусловно востребованные направления, как интерфейсы мозг-компьютер, биообратная связь и нейропротезирование, становятся частью привычного научного ландшафта.

Параллельно развиваются направления, которые на данный момент не соответствуют мейнстриму в нейротехнологиях или не обладают флером инновационности, но могут предложить новый взгляд на изучение мозга и дополнить уже существующие тренды. Рассмотрим некоторые из них.

Второе дыхание глиальных клеток

В середине XIX века группа ученых открыла особые клетки мозга, получившие название «нейроглии» (нем. «нейроклей»). Долгое время считалось, что этот тип клеток выполняет исключительно поддерживающую функцию для нейронов. К классическим функциям глии относятся структурная поддержка нейронов, поставка питательных веществ, поддержание ионного гомеостаза, миелинизация аксонов, нейтрализация нейровоспаления и так далее.

Иронично, что после открытия этого нового типа клеток, который, по некоторым оценкам, занимает 33–66 процентов всей массы мозга, он на протяжении почти двух веков как будто оставался в тени открытий, касающихся исключительно нейронов. Это могло быть связано как с большей очевидностью функциональных свойств нейронов, так и с ограничениями существовавших в то время гистологических методов исследования — интерес к глии возникал преимущественно с точки зрения изучения её структуры и морфологических характеристик.

Лишь в XX веке, благодаря новым исследованиям, стало возможно предположить, что глия также участвует в активной деятельности мозга. В отличие от нейронов, глия не генерирует потенциалы действия. Однако было установлено, что возбуждающий нейромедиатор глутамат повышает концентрацию кальция в астроцитах (одной из групп глиальных клеток). Примечательно, что этот кальциевый сигнал может распространяться на расстояния, в сотни раз превышающие размеры самого астроцита. Это происходит через отростки, которыми астроциты соединяются с кровеносными сосудами, другими астроцитами или синапсами нейронов. Таким образом, астроцитарные кальциевые сигналы могут служить независимым путем обмена информацией, помимо существующего между нейронами. Эти кальциевые волны также могут непосредственно влиять на нейроны, вызывая их возбуждение.

Другие факты, указывающие на функциональную роль глии, включают её способность избирательно реагировать на активацию нейронов в зависимости от нейромедиаторов или структур мозга, её способность регулировать уровень возбуждения коры через ресинхронизацию сетей, а также способность поддерживать кратковременную память за счет выработки глутамата и так далее. Нет сомнений, что по мере дальнейшего изучения функций глии мы будем открывать новые способы эффективного взаимодействия с нервной тканью.

Вселенная мозга в миниатюре

Одной из важных задач нейронаук является исследование развития нервной системы. Это может стать ключом к пониманию механизмов многих заболеваний. Поскольку живой мозг бывает труднодоступен для прямых исследований, разрабатываются методы его моделирования. Один из них — использование органоидов, миниатюрных структур, выращенных из стволовых клеток, которые имитируют структуру и функционирование мозга.

Насколько далеко заходит использование органоидов в имитации развития мозга? Исследования показали, что органоиды можно выращивать на протяжении девяти месяцев без риска их гибели или утраты клеток. Выращенные органоиды могут достигать нескольких миллиметров в диаметре, а некоторые из них могут существовать и развиваться в лабораторных условиях на протяжении семи лет. Хотя это развитие не сопоставимо с развитием настоящего мозга, молекулярное строение органоидов указывает на формирование гомологов кортикального слоя нейронов, промежуточных структур, переднего мозга и так далее. Непосредственно нейроны органоидов, обладая стандартными элементами (дендритами, аксонами и т. д.), могут формировать синаптические связи, проявлять спонтанную скоординированную активность и даже реагировать на внешние стимулы (например, на свет).

Кроме того, органоиды умеют выполнять сложные целенаправленные задачи: например, 800 тысяч искусственно выращенных нейронов за пять минут научились играть в аналог компьютерного пинг-понга. Обучение осуществлялось с помощью электрической обратной связи от искусственной внешней среды.

Несмотря на то что органоиды пока представляют собой редукционистскую и во многом нестабильную модель головного мозга, их уже применяют для моделирования заболеваний. Выращивая органоид из клеток больных людей, можно не только выявлять механизмы развития заболевания на ранних стадиях, но и определять терапевтические мишени и методы лечения. Ярким примером подобных исследований является моделирование реакции мозга на вирус Зика, эпидемия которого наблюдалась в Южной и Центральной Америке в 2015 году. Заражение вирусом Зика органоидов продемонстрировало нарушения в нейроэпителии, которые могут приводить к апоптозу клеток и формированию микроцефалии — уменьшению объема мозга. Это объясняет симптомы, наблюдаемые при передаче вируса от матери к плоду.

Шестое чувство и шестой палец

«Каково быть летучей мышью?» — так философ Томас Нагель озаглавил свою известную статью, без упоминания