Альтернативна нейротехнологія: від глії до штучного інтелекту.

Нещодавно виповнилося 100 років електроенцефалографії (ЕЕГ), одному з провідних підходів у галузі нейровізуалізації. Опитування кількох сотень експертів з усього світу показало високі очікування від рутинного використання цього методу для моніторингу сну, прогнозування епілептичних нападів в режимі реального часу, здійснення нейрообратної зв'язку. У перспективі 20–40 років очікується, що ЕЕГ буде широко використовуватися для раннього виявлення нейродегенеративних захворювань, персоналізації лікування психічних розладів та для повсякденного використання поряд зі смарт-годинниками та іншими пристроями.

Проте деякі сфери застосування все ще сприймаються експертами як призрачні. До них належить використання ЕЕГ для «читання думок», у тому числі змісту снів або довгострокової пам'яті, а також як детектора брехні. Ця призрачність пов'язана з тим, що на даний момент навіть для таких, здавалося б, простих завдань, як декодування емоцій або рівня стресу за допомогою ЕЕГ, не існує універсального та масштабованого рішення.

Безсумнівно, ЕЕГ багато що розповідає нам (особливо якщо в мозку має місце виражена патологія), але не менше вона й приховує від нас. Трохи більше піднімає завісу магнитоенцефалографія (МЕГ) зі своїм високим просторовим розділенням. Такі методи, як функціональна МРТ (фМРТ) та функціональна інфрачервоноспектроскопія (фНІРС), дозволяють отримати лише непрямі дані про мозкову активність через кровотік, а позитронно-емісійна томографія (ПЕТ) надає відомості про молекулярний склад.

Про ці методи сказано достатньо, і їх обмеження добре відомі: низьке часовий розділення у фМРТ, необхідність екранованих приміщень для запису МЕГ, труднощі з інтерпретацією даних фНІРС. Ці технології розвиваються в чітко визначеному і в багатьох відношеннях передбачуваному напрямку. Перед кожною з них стоять локальні технічні завдання, які ще належить вирішити. Наприклад, для МЕГ однією з пріоритетних задач залишається повноцінна розробка магнітометрів з оптичною накачкою, що могло б значно спростити реєстрацію сигналів. Проте такі методи, хоч і ефективні, але слідують вже протореним шляхом.

І навіть все ще викликаючі резонанс, але при цьому, безсумнівно, затребувані напрямки — інтерфейси мозок-комп'ютер, біозворотний зв'язок та нейропротезування — стають частиною звичного наукового ландшафту.

Паралельно з цим розвиваються напрямки, які на даний момент не відповідають мейнстриму в нейротехнологіях або не покриті флером інноваційності, але потенційно можуть запропонувати новий погляд на вивчення мозку та доповнити вже існуючі тенденції. Розповімо про деякі з них.

Друге дихання гліальних клітин

У середині XIX століття група вчених відкрила особливі клітини мозку, які отримали назву «нейроглія» (нім. «нейроклей»). Протягом тривалого часу вважалося, що цей тип клітин займається лише обслуговуванням функцій нейронів. До класичних функцій глії належать структурна підтримка нейронів, постачання поживних речовин, підтримка іонного гомеостазу, забезпечення мієлінації аксонів, нейтралізація нейровоспалення тощо.

Викликає відчуття іронії, що після виявлення цього нового виду клітин, які, за деякими оцінками, займають 33–66 відсотків всієї маси мозку, протягом майже двох століть він, здавалося б, ігнорувався на фоні відкриттів, що стосуються виключно нейронів. Це може бути пов'язано як із більшою очевидністю функціональних властивостей нейронів, так і з обмеженнями існуючих у ті часи гістологічних методів дослідження — інтерес до глії виникав швидше з точки зору вивчення її структури та морфологічних властивостей.

Лише в XX столітті у зв'язку з новими дослідженнями можна було обережно припустити, що глія залучена в активність мозку і функціонально. На відміну від нейронів, глія не генерує потенціали дії. Однак було встановлено, що збуджуючий нейромедіатор глутамат підвищує концентрацію кальцію в астроцитах (одній з груп гліальних клітин). Примітно, що цей кальцієвий сигнал може поширюватися на відстані, у сотні разів перевищуючи розмір самого астроцита. Це відбувається через відростки, якими астроцити з'єднуються з кровоносними судинами, іншими астроцитами або синапсами нейронів. Таким чином, астроцитарні кальцієві сигнали можуть виступати як незалежний шлях обміну інформацією, окрім того, який вже існує між нейронами. Також ці кальцієві хвилі можуть впливати безпосередньо на нейрони, викликаючи їх збудження.

До інших фактів, що вказують на функціональну роль глії, належать її можливість вибірково реагувати на активацію нейронів залежно від нейромедіаторів або структур мозку, які її забезпечують; здатність регулювати рівень збудження кори за рахунок ресинхронізації мереж; здатність підтримувати короткочасну пам'ять за рахунок вироблення глутамату тощо. Немає сумнівів, що і далі, вивчаючи функції глії, ми виявимо нові способи ефективної взаємодії з нервовою тканиною.

Всесвіт мозку в мініатюрі

Одна з важливих задач нейронаук — вивчення розвитку нервової системи. Воно може стати ключем до розгадки механізмів багатьох захворювань. Оскільки живий мозок буває важкодоступний для прямих досліджень, розробляються способи його моделювання. Один із них — це використання органоїдів, мініатюрних структур, вирощених з стовбурових клітин і імітуючих будову та функціонування мозку.

Наскільки далеко зайшла залучення органоїдів у імітацію розвитку мозку? Було встановлено, що органоїди можна вирощувати протягом дев'яти місяців без ризиків їх загибелі або втрати клітин. Вирощені органоїди можуть досягати розміру кількох міліметрів у діаметрі. Далі деякі з органоїдів можуть існувати та розвиватися в лабораторних умовах протягом семи років. Безсумнівно, це розвиток не можна порівняти з розвитком справж