Исследователи из Техасского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали экспериментальный метод 3D-печати «татуировок» на голове из проводящих полимеров. Эти «татуировки» работают как традиционные электроэнцефалографические (ЭЭГ) электроды, которые применяются для интерфейсов мозг-компьютер (BCI) и обеспечивают управление роботизированными конечностями, компьютерами, а также объектами в среде виртуальной реальности.

Источник изображений: Cell Biomaterials

Мозг постоянно генерирует электрические сигналы, которые меняются в зависимости от разных мыслей и движений. Инвазивные (имплантируемые) интерфейсы BCI позволяют точно считывать сигналы мозга. Однако такой подход к реализации интерфейсов мозг-компьютер создают возможность заражения или отторжения имплантата, да и в целом не слишком безопасен. Печатать электроды на коже головы куда проще.

Электроды, размещённые на коже головы по одному или с помощью ЭЭГ-колпачков, также могут считывать сигналы мозга, пусть и не с такой точностью, как имплантаты. Последующая обработка полученных сигналов с помощью алгоритмов искусственного интеллекта позволяет улучшить точность считывание сигналов мозга, но без дополнительного обширного изучения этого направления, напечатанные ЭЭГ-электроды по точности будут сопоставимы с традиционной энцефалографией.

Разработанные исследователями из Техасского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе электроды выполнены из проводящего полимера PEDOT:PSS, который наносится на голову в виде жидкости с помощью микроструйного 3D-принтера. «Чернила» просачиваются через волосы к коже головы, так что брить голову не придётся. После полимер можно просто смыть. Учёные отмечают, что PEDOT:PSS остаётся эластичным после застывания, так что его также можно использовать как для создания растягивающейся электроники, так и для растягивающихся дисплеев.

Процесс создания электродов начинается со сканирования головы пациента. После этого на компьютере подбирается необходимый дизайн ЭЭГ-электродов. Для печати десяти ЭЭГ-электродов требуется всего десять минут, а также пять минут для последующей калибровки. Это значительно меньше, чем обычно занимает процесс установки традиционных ЭЭГ-электродов. Кроме того, 3D-напечатанные электроды исключают необходимость в использовании специального влажного состава для лучшего контакта электрода с кожей. Обычно это вещество быстро высыхает, делая процесс традиционной энцефалографии неэффективным. Тесты на добровольцах показали потрясающие результаты. В то время как обычные электроды перестают быть эффективными через 6 часов, электронные «тату» продолжают считывать сигналы мозга в течение 24 часов и даже дольше.

О своём экспериментальном методе 3D-печати «татуировок» на голове из проводящих полимеров исследователи поделились в статье журнала Cell Biomaterials.

Китайские учёные из Тяньцзиньского и Южного научно-технологического университетов создали робота с выращенным в лабораторных условиях искусственным мозгом, которого можно обучить выполнять различные задачи. Исследователи создали «мозг-на-чипе», объединяющий органоид мозга (ткань из стволовых клеток человека) с чипом нейронного интерфейса, который приводит робота в действие, учит его избегать и преодолевать препятствия, а также захватывать предметы.

Источник изображения: Tianjin University

Разработка китайских учёных относится к развивающейся отрасли интерфейсов «мозг-компьютер» (BCI), целью которой является объединение электрических сигналов живого мозга с внешней вычислительной мощностью. По данным Тяньцзиньского университета, это «первая в мире интеллектуальная сложная система информационного взаимодействия с открытым исходным кодом», которая может привести к развитию вычислений, имитирующих сложные функции человеческого мозга.

«Это технология, которая использует культивированный in vitro "мозг" (органоиды мозга) в сочетании с электродным чипом для формирования мозга на чипе», который может кодировать и декодировать сигналы обратной связи от стимуляции, рассказал в разговоре с изданием Science and Technology Daily Минг Донг (Ming Dong), вице-президент Тяньцзиньского университета.

Технология BCI привлекла широкое внимание благодаря поддерживаемому Илоном Маском (Elon Musk) проекту Neuralink. Данный проект создал имплантируемые в человеческий мозг интерфейсы, позволяющему пациентам управлять устройствами только с помощью мысли. По словам учёных из Тяньцзиньского университета, их исследования могут привести к созданию гибридного интеллекта человека и робота.

Органоиды мозга состоят из плюрипотентных стволовых клеток человека, которые обычно встречаются только у ранних эмбрионов и могут развиваться в различные виды тканей, включая нервные ткани. При трансплантации в мозг они могут устанавливать функциональные связи с мозгом хозяина, пишет команда Тяньцзиньского университета в неотредактированной статье, опубликованной в рецензируемом журнале Oxford University Press Brain в прошлом месяце.

«Трансплантация органоидов человеческого мозга в живой мозг — это новый метод улучшения развития и функционирования органоидов. Органоидные трансплантаты имеют функциональную сосудистую систему, полученную от хозяина, и демонстрируют ускоренное созревание», — пишет команда исследователей.

По словам профессора Тяньцзиньского университета Ли Сяохуна (Li Xiaohong), хотя органоиды мозга считаются наиболее многообещающей моделью базового интеллекта, технология по-прежнему сталкивается с «узкими местами, такими как низкая зрелость развития и недостаточное снабжение питательными веществами», рассказал он изданию Science and Technology Daily.

В своей статье исследователи сообщили, что разработали метод использования ультразвука низкой интенсивности, который помогает органоидам лучше интегрироваться и расти в мозге. Команда обнаружила, что обработка трансплантатов органоидов ультразвуком низкой интенсивности улучшает дифференцировку органоидных клеток в нейроны и помогает улучшить связи, которые они образуют с мозгом хозяина. По мнению исследователей, этот метод может также привести к созданию новых методик лечения нарушений нервного развития и восстановления повреждений коры головного мозга.

«Трансплантация органоидов головного мозга считается многообещающей стратегией восстановления функций мозга путём замены утраченных нейронов и реконструкции нервных цепей», — пишет команда специалистов.

Исследователи отмечают, что использование ультразвука низкой интенсивности на имплантированных органоидах головного мозга может улучшить нейропатологические дефекты в тестах на мышиной модели микроцефалии — расстройства нервного развития, характеризующегося уменьшением размеров мозга и головы. В университете также заявили, что использование командой неинвазивной ультразвуковой обработки низкой интенсивности может помочь нейронным сетям формироваться и развиваться, обеспечивая лучшую основу для вычислений.

4 мая группа китайских учёных под руководством профессора Дуань Фэна (Duan Feng) из Нанкайского университета впервые в мире провела успешный эксперимент по подключению интервенционного интерфейса мозг-компьютер (BCI) к мозгу нечеловекообразной обезьяны. До этого подобные эксперименты учёные проводили на овцах.

Источник изображений: news.nankai.edu.cn

В проведении эксперимента также участвовали специалисты больницы общего профиля Народно-освободительной армии Китая и медицинской фирмы Shanghai HeartCare Medical Technology Co. В ходе операции учёные с помощью минимально инвазивной хирургии без краниотомии (трепанации черепа) провели датчики через сосуды мозга и сагиттальный синус, достигнув моторной коры мозга обезьяны. Это позволило идентифицировать и собирать сигналы электроэнцефалограммы (ЭЭГ), благодаря чему животное смогло осуществлять активное управление роботизированной рукой.

В отличие от американской компании Neuralink, работающей над созданием интерфейса мозг-компьютер (BCI) инвазивным методом, технология китайских учёных не требует трепанации черепа, менее травматична и более безопасна для пациента. Эндоваскулярная хирургия представляет собой способ вмешательства без скальпеля, когда доступ к органу осуществляется через сосуды. По словам профессора Фэна, результаты эксперимента способствовали продвижению интервенционного интерфейса мозг-компьютер от лабораторных перспективных исследований к клиническому применению.

Интервенционный BCI, наряду с инвазивным и неинвазивным BCI, входит в число трёх основных технологий, находящимися в стадии исследований и разработок (НИОКР) в этом сегменте биологических наук. Интервенционный BCI, позволяющий соединить мозг с компьютером с помощью минимального хирургического вмешательства, наносит меньше вреда, чем инвазивная технология, обеспечивая при этом лучшее качество регистрации ЭЭГ, чем неинвазивная технология.

По сравнению с традиционным инвазивным и неинвазивным BCI, интервенционный BCI сочетает в себе стабильность распознавания сигналов и безопасность, сообщил Фэн агентству Синьхуа.

«Успех первого испытания на животных — это прорыв от нуля к единице, но достижение успеха в клинике — это процесс от 1 до 100, поэтому нам еще предстоит пройти долгий путь», — заявил газете Beijing Daily участвовавший в эксперименте нейрохирург Ма Юнцзе (Ma Yongjie) из больницы Xuanwu Hospital при медицинском университете Capital Medical University.