2023 год был полон разработок в области технологий интерфейса мозг-компьютер (BCI): устройств, которые могут декодировать сигналы мозга и использовать их для управления внешним устройством, или, наоборот, использовать устройство для изменения сигналов мозга. Разработчики BCI Neuralink , Paradromics и Synchron достигли важных вех в процессе клинических испытаний, каждая из которых приближает полностью имплантируемый BCI к клинической реальности.
Эти компании разрабатывают BCI, которые взаимодействуют с мозгом посредством электрических сигналов, но недавно учёные объявили о новом BCI, который использует радикально другую среду: ультразвук.
В октябре компании Forest Neurotech и Butterfly Network объявили о совместном исследовательском проекте стоимостью 20 миллионов долларов, направленном на разработку BCI на основе ультразвука. Forest Neurotech лицензирует компактную технологию ультразвука на чипе Butterfly Network для разработки минимально инвазивного ультразвукового устройства BCI для использования в академических и исследовательских учреждениях.
Большинство систем BCI измеряют активность мозга, считывая электрические сигналы, а некоторые также электрически стимулируют мозг. Новое устройство вместо этого будет использовать для взаимодействия с мозгом высокочастотные звуковые волны. Научные принципы, лежащие в основе этого подхода, необычны, но просты: волны прямого сфокусированного ультразвука (FUS) могут изменять потенциалы действия нейронов — ионные токи, которые клетки мозга используют для связи друг с другом. Ультразвук также можно использовать для оценки нейронной активности в областях мозга путем измерения локальных изменений кровотока с помощью эффекта Доплера; этот метод известен как функциональная ультразвуковая визуализация (fUSI).
Технология Баттерфляя позволит создать BCI, который при имплантации в череп пользователя будет использовать ультразвук для стимуляции и записи данных из мозга «с субмиллиметровой точностью».
Зачем использовать ультразвук в BCI?
Ультразвук имеет определенные преимущества перед другими методами нейронной стимуляции и визуализации. Для стимуляции сфокусированные ультразвуковые волны могут гибко воздействовать на определенные области мозга за пределами черепа. Напротив, методы электростимуляции более пространственно ограничены, поскольку электричество не проходит очень далеко через ткань мозга, поэтому электрическая стимуляция глубоких областей мозга требует инвазивных хирургических процедур, при которых электроды размещаются рядом с соответствующими участками. Для электрической записи мозга требуются либо глубокие имплантаты, либо электроды на коже головы, которые могут регистрировать активность только из участков мозга, расположенных вблизи поверхности.
Записать глубокую нервную активность с помощью ультразвука можно только, удалив часть черепа и положив устройство на поверхность мозга. Ультразвуковое оборудование Butterfly объединяет возможности генерации, управления и записи звука более крупных клинических ультразвуковых систем в одном устройстве размером с чип. Форест планирует использовать эти ультразвуковые чипы для стимуляции областей мозга направленными и сфокусированными ультразвуковыми волнами, а также для измерения нейронной активности с помощью fUSI.
Технология «ультразвук на чипе» Butterfly Network будет использоваться в новом интерфейсе «мозг-компьютер». Методика fUSI оценивает изменения в нейронной активности путем замеров изменений кровотока. Нейронам, как и всем клеткам, для функционирования необходима кровь. Увеличение нейронной активности требует увеличения кровотока, который измеряют методы FUSI, проецируя ультразвук на интересующую область мозга и записывая волны, которые приходят в норму. Когда звук отражается от массы текущей крови, возвращающиеся звуковые волны колеблются с другой частотой, чем излучаемые. fUSI использует этот феномен доплеровского сдвига для оценки изменений в кровотоке и, косвенно, электрохимической активности нейронов.
Ультразвук может как записывать, так и контролировать нервную активность. Хотя последнее явление известно, по крайней мере, с 1950-х годов, ученые до сих пор не уверены, почему именно FUS вызывает возбуждение нейронов. Недавние эксперименты, в которых ультразвуковая энергия была направлена на изолированную ткань мозга грызунов, показали нейробиологам, что определенные каналы ионов кальция открываются высокочастотными звуковыми волнами, хотя точная физика этого взаимодействия до сих пор остается загадкой.
Чтобы стимулировать и записывать данные с помощью BCI, системе Фореста потребуется имплантировать несколько ультразвуковых чипов Butterfly в череп пользователя. Ультразвуковая стимуляция эффективна через кость, а методы записи fUSI неэффективны. Звук при прохождении через череп приглушается, а исходящие и обратные затухания делают полностью неинвазивную систему записи ультразвука несостоятельной. Вместо этого компания планирует разместить датчики в черепе на одном уровне с поверхностью твердой мозговой оболочки — защитной мембраны, покрывающей мозг.
Как только технология станет более развитой, компания планирует сделать ее доступной другим исследовательским организациям в академических кругах и промышленности для дальнейшего развития продуктов и научных разработок.
