«Мы разговариваем с ним с помощью импульсов»: зачем нижегородские ученые создали искусственный мозг
Ткани мозга нижегородские учёные научились выращивать довольно быстро. Фото: Предоставлено героем публикации.
Мозг – один из самых удивительных и сложных органов человеческого тела. Его работа и способности до сих пор остаются загадкой, даже несмотря на обширные исследования со стороны биологов, математиков, физиков, инженеров и других специалистов. В университетах по всему миру существуют сотни лабораторий, занимающихся изучением совершенно разных аспектов мозговой деятельности. Подобным занимаются и учёные из Нижнего Новгорода, причём довольно успешно – недавно они смогли установить «контакт» с органом из пробирки. «Комсомолка» выяснила, может ли мозг, выращенный в лаборатории, стать человеком и как он изменит нашу жизнь.
Нагнали зарубежных коллег за пять лет
В мировой практике наблюдения за растущими прообразами человеческого мозга (нейронными сетями) начались примерно в 1980 году, однако в нашей стране старт подобному исследованию дали только в 208 году.
– В России мы первые, пока что лаборатория в Нижнем Новгороде единственная, – рассказала директор Института фундаментальной медицины ПИМУ, профессор кафедры нейротехнологий ННГУ им. Н. И. Лобачевского Ирина Мухина. – Идея о том, чтобы приступить к подобному исследованию у нас появилась в 2007 году после посещения российскими учеными всемирного съезда физиологов, где были представлены материалы по таким разработкам.
Учёные за работой. Фото: Предоставлено героем публикации.
В результате с 2010 года по 2015 год нижегородским учёным удалось в быстром темпе нагнать зарубежных коллег. За пять лет работ статьи по отечественным разработкам уже были сравнимы с другими по своей наполненности знаниями и техническим задачам. Кстати, студенты охотно принимали участие в исследовании. В лаборатории ПИМУ вместе с Ириной Мухиной трудились два второкурсника биологического факультета ННГУ. Через 2-3 года к разработке подключились аспиранты и научные сотрудники.
Мини-мозги начали реагировать на раздражители
И вот спустя ещё несколько лет нейронная культура клеток мозга, выращенная в пробирке, стала инструментом для изучения способности нейронных сетей воспринимать поступающую информацию, а также менять связи между нейронами под воздействием внешнего раздражителя. Правда, саму культуру нервных клеток полноценным мозгом назвать невозможно.
– Искусственный мозг вырастить нельзя. На сегодняшний момент нет необходимых технических средств и условий, а также достаточных знаний у человечества, чтобы вырастить подобный орган. Зато мы можем вырастить ткань, которая состоит из разных клеток мозга, практически всех, кроме кровеносных сосудов, – объясняет Ирина Мухина.
Мозг из пробирки может использоваться в трех направлениях.
Фото: Кристина БЕРБАСОВА. Перейти в Фотобанк КП
Ткани мозга выращивают не просто в пробирке, а на особых электрических матрицах, которые позволяют снимать сигналы клеток мозга, формирующих нейронные связи, паттерны, как и у обычного человека или животного. Нейронов в мозге человека миллиарды, а синаптических связей между ними еще больше, из-за такой объемной структуры невозможно напрямую изучить принцип получения и обработки информации мозгом на клеточном уровне.
– Поэтому ученые пытаются вырастить что-то небольшое, чтобы туда заглянуть на клеточном уровне и посмотреть, как клетки работают и взаимодействуют друг с другом, когда на мозг воздействуют какие-то факторы. Например, температура, изменение кислородного режима, механическое или световое воздействие, – рассказывает профессор.
Разговор с искусственным мозгом: возможно ли это?
С мозгом из пробирки ученые, к сожалению, никак не смогут поговорить или понять его «мышление» через внешние признаки. У выращенной ткани нет ни рук, ни ног, ни кожи, ни глаз, ни рта. Так как же с ней тогда взаимодействовать? Как говорить?
– Мы разговариваем с ней с помощью импульсов, а затем пытаемся понять, поняла ли она нас или нет. Это уникальная задача, она решается не через субъективное общение, а через объективное, через потенциалы действия мозга, – подчеркнула Ирина Мухина. – Ученые могут зарегистрировать у данной мозговой ткани такой же электрический сигнал, как и у человека, когда он думает, обрабатывает информацию.
Культуральный бокс в ННГУ. Фото: Предоставлено героем публикации.
Общение с нейронной культурой клеток происходит через подачу импульса и ожидание ответной реакции. Так, какие-то импульсы вызывают ответы, что означает, что нейронной сетью сигнал был переработан. На другие, более сложные сигналы, ткань может не отвечать, не изменять свой паттерн и работать, как и раньше.
– Отсутствие отклика обычно говорит о том, что мозговой ткани сигнал недоступен, она его не понимает, то есть он либо слишком слабый, либо слишком сложный или повлияли другие проблемы. Это всё учёным предстоит изучить, – рассказала Ирина Мухина.
Мини-мозг пригодится для вычислений, диагностики и регенерации
Ткани мозга нижегородские учёные научились выращивать довольно быстро, буквально за несколько месяцев. Труднее было снимать сигналы с выращенных тканей.
Интерес в данном исследовании у каждого учёного свой. Например, с точки зрения математиков, на основе взаимодействий между такой тканью и электродами возможно развитие нейроморфного интеллекта, то есть более высокого уровня вычислений, лежащих в основе некоторых компьютерных систем.
– Много знаний получено и накоплено опыта в развитии такой тканевой структуры клеток мыши. Сейчас у нас есть грант, поддержанный Российским научным фондом, благодаря которому мы приступаем к изучению выращивания тканей из клеток человека, – поделилась профессор.
Микроэлектродная матрица с микрофлюидным чипом. Фото: Предоставлено героем публикации.
Мозг из пробирки может использоваться в трех направлениях. Во-первых, для развития вычислительных компьютерных систем. Во-вторых, подобная модель полезна для регенеративной медицины. Учёные изучают, каким образом могут быть заменены участки мозга, которые по причине травмы или заболеваний погибли, не восстанавливаются. Изучаются также и законы о трансплантации нервной ткани мозга, если она выращена в искусственной среде. В-третьих, разработка пригодится в диагностическом направлении.
– Мы создаем ин витро системы на биочипах, на которых можно быстро проводить доклинические исследования лекарственных препаратов нейротропного направления. Это сэкономит время и пощадит животных, на которых обычно тестируют эффективность и токсичность новых лекарственных препаратов, – подвела итог Ирина Мухина.
Еще больше оперативных новостей смотрите в наших группах и подписывайтесь!