Нейроинженерия и нейротехнологии

А. С. Брюховецкий

Монография обобщает достижения и перспективы развития нейроинженерии. Описано открытие микроволновой активности головного мозга. Предложены алгоритмы создания инновационной микроволновой электроэнцефалографии, микроволнового интерфейса между головным мозгом и компьютером, гиперзвуковой биоинженерии под контролем МРТ и капитумморфного суперкомпьютера на основе устройства головы человека.Книга предназначена для ученых, врачей и для широкого круга читателей, интересующихся проблемой.

Глава 1. Что такое нейроинженерия и нейротехнологии?

Слово «нейроинженерия» в первых декадах XXI в. уже никого не удивляет, как не удивляет и появление новой профессии — нейроинженера. Эта инновационная терминология новой инженерной специальности настолько широко растиражирована в интернете и среди «продвинутой» современной молодежи и студентов, занимающихся роботехникой и информационными технологиями, что каждый второй уважающий себя школьник старших классов и студент первых курсов современного медицинского или технического университета знает о существовании этой новой специальности в нейронауках и может порассуждать о ней и ее перспективах, о зарплатах нейроинженеров и привести примеры внедрения и применения нейроинженерии и нейротехнологий на практике.

Из названия этой новой нейронауки очевидно, что термин «нейроинженерия» (neuroengeenering) является производным от двух достаточно понятных английских слов: neuro или neural (нервный) и engeenering (инженерия — создание технических устройств). Первый корень этого слова — neuro — предполагает, что эта наука направлена на создание технических устройств для реализации задач основных нейронаук (психиатрии, неврологии, нейрохирургии, нейрофизиологии и т.д.).

В интернете русская версия Википедии (2019) дает следующее определение нейроинженерии как самостоятельной науки: «Нейроинженерия — это новая научная дисциплина, входящая в состав биомедицинской инженерии, использующая различные инженерные методы для изучения, восстановления, замены или укрепления нервной системы». В зарубежной версии Wikipedia (2021) также представлено очень похожее определение, в котором утверждается, что нейроинженерия — это дисциплина в биомедицинской инженерии, которая использует инженерные методы для понимания, восстановления, замены, улучшения или иного использования свойств нейральных систем (Hetling, 2008). В целом эти определения дублируют, по сути, друг друга, что свидетельствует о том, что это достаточно общая современная концепция понимания нейроинженерии, и она сводится к тому, что нейроинженерия — это часть большой общей современной науки биоинженерии и предназначение у нее достаточно целенаправленное: детальное изучение и понимание устройства мозга, его оптимальное восстановление в местах повреждений путем замены пострадавшей части нервной ткани на искусственные неживые элементы для восстановления утраченных функций. Несомненно, что данное определение не конкретизирует ее фундаментального содержания и научного смысла, но очень точно определяет и очерчивает ее границы и подчеркивает специфику работы специалистов-нейроинженеров. J.R. Hetling (2008) считает, что нейральные инженеры имеют преимущество перед другими специалистами инженерного профиля в том, что они обладают уникальной квалификацией работы на стыке живых нервных тканей и неживых механических и электронных конструкций.

По другим представлениям, нейроинженерия — новая, быстро развивающаяся междисциплинарная наука, изучающая фундаментальные механизмы передачи сигналов в мозге и возможности управления реакциями центральной и периферической нервных систем. Она использует методы и достижения клинической и экспериментальной неврологии, нейрофизиологии, биофизики, кибернетики, компьютерной инженерии, материаловедения и, конечно же, нанотехнологий. Одна из основных задач нейроинженерии — это «создание гибридных систем из живых и неживых элементов» для внедрения имплантатов, управляемых нервной системой, с целью устранения ее нарушений. Для ее решения необходимо создать биосовместимый стабильный интерфейс нервной клетки и соответствующего неживого элемента. В редакционной статье Journal of Neural Engineering (Sept. 2007. Vol. 4, №4. DOI: 10.1088/1741—2552/4/4/E01) под названием What is Neural Engineering? («Что такое нейральная инженерия?») ее автор Dominique M. Durand рассуждает на тему появления термина «нейроинженерия». Он считает, что еще прошло совсем немного времени с тех пор, как впервые возник термин «нейральная инженерия» (нейроинженерия), или «нейроинжиниринг». Появление этой новой сферы в нейронауках автор приписывает необходимости признания того очевидного факта, что инженеры, ученые в области нейробиологической науки и врачи должны объединить свои усилия, чтобы направить внимание на проблемы, связанные со сложным функционированием нервной системы человека, и понять ее устройство. Он убежден, что нейральная инженерия уже дала очень много для нейронаук и еще очень много даст информации для понимания устройства мозга человека в будущем. Автор приходит в выводу, что поводов для радости много, и это касается не только разработки интерфейсов, осуществляющих взаимодействие между мозгом и компьютером, но и почти неиспользованного потенциала развития методов лечения больных с неврологическими расстройствами, такими как инсульт или эпилепсия. Он утверждает, что к настоящему времени эта сфера существенно укрепилась и повзрослела, о чем свидетельствуют ее уверенное и регулярное присутствие на многочисленных мировых симпозиумах, а также растущий объем публикуемых материалов по данной тематике. Как результат сформировался определенный масштаб этой области науки, требующий четкой дефиниции нейральной инженерии. Подобной точки зрения придерживается достаточно большое число зарубежных ученых, работающих в этой области (Vilela, Hochberg, 2020; Milekovic et al., 2019).

Редакционный совет журнала Neural Engineering определяет эту область следующим образом: «Нейральная инженерия представляет собой возникающую междисциплинарную область исследований, которая стремится задействовать нейробиологическую науку и инженерные методы в целях анализа неврологического функционирования, а также выработки решения проблем, соотносящихся с неврологическими ограничениями и расстройствами». Основная миссия данной области, по их мнению, состоит в разрешении проблем, соотносимых с нейробиологической наукой, и в предоставлении реабилитационных решений применительно к состояниям нервной системы. Акцентирование, которое уделяется инженерии и количественной методологии, применяемой для воздействия на нервную систему, отделяет нейроинженерию от традиционных областей нейробиологической науки, таких как нейрофизиология. Интеграция и взаимодействие, осуществляемые между нейробиологической наукой и инженерией, отделяют нейральную инженерию от других инженерных дисциплин, в частности от искусственных нейральных сетей (artificial neural networks).

Как утверждается на официальном сайте Центра нейротехнологий (CNT) Вашингтонского университета (США), в начале третьего десятилетия XXI в. неврология стала одной из самых быстро развивающихся областей современной медицинской науки. Ее бурный рост поощряется новыми техническими инструментами и инженерным сотрудничеством, которое позволяет нейроученым и инженерам как никогда раньше заниматься изучением и реставрацией нервной системы человека. Нейроинженерия сегодня представляет собой сочетание имеющегося опыта нейробиологии, теоретических достижений в области мозга с инженерными подходами в лечении неврологических расстройств, заболеваний и травм мозга. Нейроинженерия в своем междисциплинарном подходе соединяет базовые принципы нейробиологии и инженерии, изучает возможность приложения этих знаний в синтетических сенсорных системах, искусственных протезах и других вспомогательных устройствах движения у людей с поврежденной нервной системой (http://csne-erc.org/education-k-12-resources-teachers/introduction-neural-engineering).

Фундаментом нейроинженерии являются нейронауки, а составными частями — классические инженерные науки. Нейральная инженерия (нейроинженерия) как бы располагается между трех основных наук и опирается на них в своем развитии. С одной стороны, в очень большой степени она опирается на классическую фундаментальную нейробиологическую науку (neuroscience), а с другой — на клиническую неврологию. С третьей стороны, опорой нейроинженерии является целый пласт технических инженерных наук (квантовая физика, информатика, радиофизика, нейроматематика, теоретическая механика и т.д.). Область нейральной инженерии охватывает экспериментальные, вычислительные, теоретические, клинические и прикладные аспекты сферы исследований, изучаемые на молекулярном, клеточном, тканевом и системном уровнях. Хотя и существует определенное наслоение и дублирование различных предметов дискуссии в нейроинженерии (например, нейромодуляции и нейропротезирования), все данные области являются четко сформулированными и обладают признанными отличительными характеристиками и определенной спецификой.

Университет Джона Хопкинса на своем сайте в конце 2020 г. в разделе «Нейроинженерия» дает очень емкое определение этого научного раздела нейронаук. По их мнению, нейроинженерия включает фундаментальные, экспериментальные, вычислительные, теоретические и количественные исследования, направленные на понимание и улучшение функции мозга при здоровье и болезнях во многих пространственно-временных масштабах. Исследования в нейроинженерии, по мнению специалистов Университета Джона Хопкинса, внедряют новые технологии для оценки и регулирования функции нервной системы для улучшения скрининга, диагностики, прогноза, реабилитации и восстановления. Специалисты из Центра нейроинженерии Университета Джона Хопкинса ключевые направления исследований в области нейроинженерии определили следующим образом:

• NeuroЕxperiment (нейроэксперименты) — направление разрабатывает и использует экспериментальные методы измерения и управления когнитивными функциями мозга. Эти усилия включают новые методы в системной нейробиологии и картировании мозга;

• NeuroTech (нейротехнологии) — направление разрабатывает и внедряет инструменты для распознавания и управления мозгом и поведением человека, включая нейроморфную инженерию, передовую оптическую визуализацию, интеллектуальные агенты, протезы и роботов;

• NeuroData (нейроданные) — направление создает возможности для науки о мозге с интенсивным использованием данных, интегрируя нейроинформатику, вычислительную нейробиологию и системы машинного обучения для анализа и моделирования наборов данных неврологии любого размера;

• NeuroDiscovery (нейрооткрытия) открывают основные принципы нейронного и коннектомного кодирования, изучают внутренние системы координат мозга и расшифровывают беспрецедентную способность мозга понимать сложные явления;

• NeuroHealth (нейроздоровье) улучшает, восстанавливает и увеличивает нормальную и нарушенную нервную функцию, уделяет особое внимание диагностике, прогнозу и лечению расстройств нервной системы.

Как мы уже отмечали во введении, как самостоятельная научная дисциплина нейроинженерия существует сравнительно недавно, а имеющаяся информация и исследования носят весьма ограниченный характер. Хотя ситуация быстро меняется, и то, что вчера воспринималось как научная фантастика в нейроинженерии, сегодня является рутиной и реальностью современных нейротехнологий. Первые журналы, специализирующиеся на этом направлении (такие, как The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation), появились в 2004 г. Международные конференции при поддержке IEEE начали проходить с 2003 г. под международным брендом Conference on Neural Engineering.

Существует особая точка зрения, что нейроинженерия — это одна из дисциплин современной технической инженерии, основанная на таких научных ответвлениях, как нейрофизиология, клиническая неврология, электротехника, и включающая элементы таких научных дисциплин, как робототехника, кибернетика, компьютерная инженерия, материаловедение и нанотехнологии. Цели нейроинженерии направлены на восстановление и увеличение функций человека через прямое взаимодействие нервной системы с различными электронными и механическими устройствами. Очевидно, что многие современные исследования ориентированы на понимание кодирования и обработки информации в сенсорных и моторных системах, количественной обработки информации, оценки того, как она меняется в патологических состояниях и как этим можно управлять через взаимодействия со внешними искусственными устройствами (Рывкина, 2010; Nuyujukian et al., 2018; Hosman et al., 2019).

Другое понимание термина нейроинженерия — это сугубо медицинское представление этого нового направления в нейронауках. Под клинической нейроинженерией в этом контексте понимаются способы и методы нейровосстановления и нейрореставрации морфологического субстрата головного и спинного мозга человека, осуществляемые во время нейрохирургических операций по тканевой инженерии и малоинвазивных интервенционных вмешательств биоинженерии поврежденной нервной ткани (Honnung et al., 2017; Брюховецкий, Хотимченко, 2018). Через восстановление анатомической и физиологической структуры поврежденного мозга с использованием как живых, так и неживых систем обеспечивается восстановление утерянной функции головного и спинного мозга человека. Эта область клинической нейроинженерии связана с общими тенденциями технологического развития в медицинской науке и обществе, а также с мировым научно-техническим прогрессом и появлением новых технологий и технических устройств нейроуправления и нейрореставрации. Однако правильнее не отделять биоинженерию от технических устройств, сопряженных с мозгом человека. По мнению О. Рывкиной (2017), нейроинженерия является междисциплинарной наукой, которая использует для своих исследований методику и разработки, созданные в клинической и экспериментальной неврологии. Кроме того, она включает элементы кибернетики, компьютерной инженерии, а также материаловедения и нанотехнологий и использует лабораторные приборы, применяемые в этих областях. Нейроинженерия — это новая дисциплина, в которой технические методы и лабораторное оборудование используются для исследования центральной и периферической нервных систем, их функций и управления их реакциями. Чтобы понять суть нервного процесса и научиться восстанавливать утраченную функцию, наука должна научиться фиксировать деятельность нервной системы и стимулировать ее. Современная комплектация лабораторий делает это вполне возможным. Так, микроэлектронные матричные записывающие устройства (MEA) способны одновременно зафиксировать активность множества нейронов, а это дает ученым возможность понять протоколы работы распределенной нейронной сети.

Перед нейроинженерией стоит задача понять фундаментальные механизмы и тонкости клеточной сигнализации и синаптической передачи, что позволит разработать технологии, которые копируют эти механизмы с помощью искусственных устройств и соединяют их с нервной системой на клеточном уровне. Новейшее оборудование для лабораторий позволяет приступить к созданию точных, информативных и биосовместимых нейральных интерфейсов. В последнее время оснащение лабораторий нейроинженерии пополнилось электродами, которые сделаны не из металла, а из углеродных нанотрубок, ориентированных вертикально (VACNF). Углеродные нанотрубки представляют собой электрохимически активные структуры, которые можно объединить в параллельные матрицы с помощью обычных инструментов, основываясь на методах микроинженерии. В отличие от стандартных плоских матриц, нанотрубки способны обеспечивать новые, неплоскостные и высокодифференцированные объемные 3D-структуры, дающие уникальные возможности исследования процессов как вне, так и внутри клетки.

Под термином «нейробиоинженерия» в конце прошлого века сначала понимали исключительно нейроанатомо-морфологические реконструктивные подходы к восстановлению поврежденного мозга нейрохирургическими методами. Затем к биоинженерии стали относить различные имплантации шунтов или портов в желудочковую систему мозга человека. В результате этих несложных операций удавалось восстановить нормальную функцию ликвородинамики головного мозга, осуществлять нормализацию внутричерепного давления, предотвратить возникновение внутренней и внешней гидроцефалии и профилактировать атрофии нервной ткани коры головного мозга. То есть нейробиоинженерия предполагала набор методологических инструментов и медицинских методик по имплантации различных биополимерных устройств в мозг человека в объеме новаторской имплантологии в нейрохирургии. Их установка (имплантация) в головной мозг обеспечивала восстановление нарушенных функций и предотвращение дальнейшего повреждения нервной ткани головного и спинного мозга исключительно нейрохирургическим путем, т.е. с использованием известных или нестандартных реконструктивно-восстановительных нейрохирургических операций. Эти операции предполагали, например, транспозицию (перенос на расстояние) под кожей пациента (животного) собственного сальника на сосудистых связях из брюшной полости к аваскуляризированному (плохо кровоснабжаемому сосудистому) участку поврежденного спинного или головного мозга самого пациента для его реваскуляризации (сосудистого обеспечения) и восстановления нарушенного кровообращения и микроциркуляции в нем. Также под нейробиоинжененерией понимались операции по трансплантации донорского участка нервной ткани или трансплантации различных типов клеток (аутологичных, аллогенных фетальных или ксеногенных) и тканей нервной системы в область повреждения головного и спинного мозга животных и человека. Так, наша научная группа занималась тем, что мы активно моделировали в эксперименте на телятах пересадку куска спинного мозга на сосудистых связях от одного животного — донора другому теленку — реципиенту с использованием операционного микроскопа, микрохирургической техники, микроинструментария и клеточных суспензий (Брюховецкий, 2003, 2010). Исследователи и врачи-экспериментаторы широко использовали разные типы клеточных суспензий для внутритканевого клеточного «обкалывания» трансплантатов донорской нервной ткани на сосудистых связях для повышения их приживляемости и восстановления синапсогенеза в поврежденной центральной нервной системе (ЦНС) и периферической нервной системе (ПНС) (Брюховецкий, 2003, 2010; Брюховецкий, Хотимченко, 2018). Военные врачи в России моделировали на крысах и собаках боевую травму мозга и пытались приживлять в зоны огнестрельного и минно-взрывного повреждения мозга куски гипоталамо-гипофизарного комплекса другого животного и человека (Брюховецкий, 2003). Подобные операции проводились и для целей андрологии, и для восстановления сексуальной дисфункции у человека при тяжелых эндокринных заболеваниях. Нейрохирурги различных учреждений г. Москвы и Санкт-Петербурга широко проводили стереотаксические операции по трансплантации фетальной ткани эмбрионов человека в различные участки головного мозга животных с экспериментальной травмой головного и спинного мозга, у больных эпилепсией и раненых с боевой минно-взрывной и огнестрельной травмой (Брюховецкий и др., 1989). Широко применялась нейротрансплантация при болезни Паркинсона в рамках европейской программы NECTAR в ГУ «НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко» РАМН. Также подобные работы по нейробиоинженерии широко проводились на базе НМИЦ трансплантологии и искусственных органов Минздрава России и Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы в интересах Министерства обороны Российской Федерации под научным руководством акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. В.И. Шумакова.

Позже, с конца 90-х гг. ХХ в. и в начале 2000-х гг. ХХI в., с появлением в России современных зарубежных ангиографических комплексов типа Integris 2000 фирмы Philips под медицинской малоинвазивной нейроинженерией в научной литературе стали понимать целый комплекс рентгенохирургических подходов и рентгенохирургических интервенций на сосудах головного мозга, сочетающихся с проведением стереотаксических операций функциональной нейрохирургии для трансплантации нервных клеток. К этому времени за рубежом появилось новое научное направление интервенционной кардиологии с использованием ангиопластики, баллонной дилатации и стентирования сосудов, которое стало бурно развиваться и в России, и мы с огромным энтузиазмом начали заниматься этим направлением на сосудах мозга. Именно тогда нами были запатентованы основные способы реставрации поврежденного головного мозга человека (Биоинженерный способ восстановления функций мозга: патент на изобретение РФ №2152038 от 27.06.2000 / А. С. Брюховецкий, Т. Б. Дмитриева, В. П. Чехонин и др. — 7 с.; Биоинженерный способ ремоделирования сосудистой системы мозга: патент на изобретение РФ №2152039 от 27.06.2000 / А. С. Брюховецкий, Т. Б. Дмитриева, В. П. Чехонин и др. 6 с.; Способ получения препарата эмбриональных нейронов человека для цитотрансфузии: патент на изобретение РФ №2146932 от 27.03.2000 / А. С. Брюховецкий, Т. Б. Дмитриева, В. П. Чехонин и др. — 8 с.) и появились наши первые работы по реконструкции мозга при боевой травме мозга человека (Козин и др., 1998; Брюховецкий и др., 1998), а также по применению стереотаксиса для трансплантации фетальных тканей человека в подкорковые структуры головного мозга (Брюховецкий и др., 1998).

И хотя эффективность биоинженерных стереотаксических операций по трансплантации фетальной нервной ткани при повреждениях головного мозга была крайне низкой и сомнительной, как и трансплантация фетального биоматериала при болезни Паркинсона в Швеции, проводившаяся в ведущих нейрохирургических институтах Европы и нашей страны (ГУ «НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко»), еще почти 10 лет эти исследования были в центре нейроинженерных научных исследований и научных дискуссий в нашей стране. Но их революционность, инновационность и достаточная безопасность позволили перешагнуть «порог страха» в реконструкции головного и спинного мозга человека и показали, что аллогенные (чужеродные) клеточные системы способны прижиться в мозге другого человека и выжить там до 20—25 лет, что было показано на аутопсиях больных паркинсонизмом в Швеции (Buclund et al., 2016). Недостаточная эффективность нейротрансплантаций в нейроинженерии привела к тому, что на смену им пришли стереотаксические операции по имплантации нейростимуляторов отечественного производства и импортных электронных нейростимуляторов фирмы Меdtronic (USA). Все эти операции функциональной нейрохирургии интерпретировались сообществом мировых ученых как передовые нейроинженерные биотехнологии.

Наша исследовательская группа также приобрела свой аппарат стереотаксиса и с огромным энтузиазмом занималась стереотаксическими операциями у раненых военнослужащих с тяжелыми черепно-мозговыми повреждениями. Мы также проводили имплантации электродов нейростимуляторов отечественного и импортного производства в головной и спинной мозг пациентов с посттравматическими вегетативными состояниями, сочетая их с трансплантацией клеток фетальной нервной ткани (Брюховецкий, 2003, 2010). Эти новые биоинженерные технологии нейровосстановления поврежденного мозга нейрохирурги определяли как новую нейрохирургическую специальность под названием «функциональная стереотаксическая нейрохирургия», а трансплантологи страны относили их к новому направлению в частной трансплантологии — нейротрансплантологии.

Поскольку наша команда работала под эгидой главного трансплантолога страны акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. В.И. Шумакова, мы считали себя нейротрансплантологами, и некоторые наши коллеги даже защитили диссертационные исследования в ученом совете ГУ «НМИЦ трансплантологии и искусственных органов» Минздрава России по этой тематике (Козин, 2001). Наша объединенная научно-исследовательская нейробиоинженерная группа, состоящая из специалистов различных ведомств (Минздрава России, Министерства обороны РФ, Министерства внутренних дел РФ и др. ведомств), очень широко использовала любую возможность применения интервенционных рентгенохирургических и стереотаксических технологий в реконструкции поврежденного мозга. Особенно широко применялись эти биоинженерные технологии у раненых с боевой травмой мозга, доставленных из зон локальных конфликтов, в которых активно участвовала Россия (Афганистана, Чечни, Абхазии, Нагорного Карабаха и т.д.), санитарной военной авиацией.

Для улучшения и ремоделирования сосудистого русла зон повреждения головного мозга нами применялось введение стентов и региональных катетеров в магистральные сосуды мозга для программной инфузии лекарственных средств, и это обеспечивало глобальные изменения геометрии сосудистого русла и значительное увеличение кровоснабжения за счет формирования в мозге коллатеральных сосудов (Брюховецкий, 2003). Наши нейрохирурги широко применяли имплантации в желудочковую систему ГМ искусственных биоинженерных имплантируемых устройств (портов, шунтов, катетеров) и в них проводили трансплантации клеточных суспензий для восстановления функций поврежденного мозга. Все варианты нейробиоинженерной реконструкции мозга человека мы называли тогда очень модным в микрохирургии того времени термином — нейробиоинженерная пластика.

Со временем термин «нейробиоинженерия» трансформировался в интервенционную биоинженерию мозга и тканевую инженерию мозга. Это изменение клинического содержания термина было связано, с одной стороны, с появлением новых малоинвазивных технологий, обозначаемых как интервенционная кардиология и интервенционная неврология, а с другой стороны — с появлением в США инновационных работ братьев Ваканти (Vacanty) из Бостонского университета США по тканевой инженерии органов и тканей. Именно братья Ваканти постулировали путь применения различных биополимерных матриксов и каркасов, cодержащих стволовые клетки, факторы роста и другие биологически активные вещества, для реконструкции органов, тканей и спинного мозга у экспериментальных животных. Чарльз Ваканти первым показал возможность сочетанного применения стволовых клеток и биодеградируемых полимеров для нейрореставрации поврежденного мозга и определил этот новый методологический подход как тканевую инженерию мозга.

Научный прорыв американских ученых в конце XX в. показал, что существующая в неврологии догма о невозможности восстановления нейронов поврежденного мозга, установленная нобелевским лауреатом Рамон-и-Кахалем еще в начале XIX в., оказалась методологически ошибочной. За последнее десятилетие уходящего XX в. было показано и научно доказано в многочисленных исследованиях нейроученых во всем мире, что головной и спинной мозг человека и млекопитающих в определенных условиях способен к регенерации и восстановлению. Впервые об этом мировая научная общественность открыто заявила как об установленном новом научном факте в 2005 г. на Первом международном научном конгрессе, проводимом IANR (International Association of NeuroRestoratology). Нейроученые из 30 стран мира (неврологи, нейрохирурги, нейрофизиологи, нейробиологи и др.) в 2015 г. приняли Всемирную декларацию, в которой провозгласили, что «нервные клетки способны восстанавливаться», если им «будут созданы определенные условия для регенерации».

С этого времени начинается новая эра мировой нейробиоинженерии. Впервые высказанное во всеуслышание, общественно декларируемое и поддержанное мировым научным сообществом нейроспециалистов научное мнение о возможности нейрорегенерации стало авторитетным для значительного количества нейроспециалистов, занимающихся проблемами изучения регенерации и восстановления поврежденного мозга (Нuang, 2019). И хотя многие научные группы из академических нейрохирургических и неврологических учреждений в России и в Европе были несогласны с основными тенденциями, происходящими в нейронауках, в научных представлениях большинства нейроученых в мире произошел коренной перелом. Целая армия молодых исследователей головного и спинного мозга человека занялась изучением этих вопросов и увлеклась нейроинженерией. Существенный вклад в развитие этого направления оказало историческое решение президента США Барака Обамы открыть в 2008 г. государственное финансирование исследований в области стволовых клеток, в т.ч. в области нейроисследований, которое было ранее остановлено указом предыдущего президента США Джорджа Буша, поддержанного Конгрессом США.

Журнал «Сучасна освіта» №4 (77) от 2011 г. называет наступившее время «эрой технарей». Он показал, что время, когда самой популярной профессией разных мастей был управленец или менеджер, уходит в прошлое. Тренд на модернизацию всех отраслей промышленности ускоряет наступление «эры инжиниринга» (инжиниринг — комплекс инженерно-консультационных услуг коммерческого характера по подготовке и обеспечению непосредственно процесса производства). Сегодня действительно возникают новые профессии на стыке наук, требующие серьезных профессиональных знаний в различных областях наук о жизни. Они будут особенно полезны той категории наших читателей и молодых ученых, кто испытывает интерес к нескольким областям знаний и не может сделать окончательный выбор в пользу одной из них. Может быть, именно описываемые специальности помогут им реализовать свой потенциал в полной мере. Одна из таких специальностей будущего — это профессия нейроинженера.

Современные нейроинженеры подходят к изучению человеческого мозга с практических, даже правильнее сказать, с технических позиций: они изучают прежде всего то, как кодируется и передается информация в различных отделах мозга, отвечающих за сенсорное и моторное восприятие, как эта информация искажается при патологических изменениях в мозге и как ею можно манипулировать искусственным образом — при помощи разных информационных способов, техник и микроскопических механизмов. Например, ученым из Массачусетского технологического института удалось научиться программировать мозг вспышками света через мозговой имплантат-светодиод. Предполагается, что таким образом можно будет лечить самые тяжелые заболевания — от болезни Паркинсона до клинических депрессий. Особенные усилия направлены на изучение того, как функционирует зрение.

Итак, название следующей новомодной специализации и профессии будущего — нейроинженер — говорит само за себя. Эта специальность совместит в себе биологические основы нейронаук, технической мысли ученых точных наук и завершится созданием новых технических устройств нейроуправления и нейрореставрации. «Зачем изобретать велосипед, — скажете вы, — Создатель ведь давно обо всем позаботился». Однако другая народная мудрость гласит: «Изобретать велосипед полезно — ведь попутно можно изобрести что-то еще!» Именно этим лозунгом и руководствуется мировая нейроинженерия. Специалисты в этой области изучают возможность кодировки и передачи информации в определенных отделах головного мозга и между ними и придумывают разные механизмы и способы для манипуляции и биоуправления этим сложным процессом. Считается, что таким образом людей можно будет лечить от многих тяжелых заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, клиническая депрессия, болезнь Альцгеймера. Специалистов по нейроинженерии в нашей стране пока не готовят, поэтому обучаться придется в Америке и Канаде.

Нейроинженерия — молодая, но невероятно быстро развивающаяся отрасль высокотехнологичной медицины. Как мы уже отмечали выше, первый журнал, посвященный исключительно нейроинженерии, появился только в 2004-м и тогда же была собрана первая международная конференция, но уже сегодня, в 2021 г., нейроинженеров готовят во многих университетах США. Средняя ожидаемая зарплата нейроинженера — около 200 тыс. долл. в год. Еще популярнее может стать профессия нейрофизиолога или, правильнее сказать, нейротехнолога, хотя она ближе к косметологии и индустрии красоты. Здесь речь идет не о враче функциональной диагностики, занимающемся клинической нейрофизиологией и постоянным снятием и расшифровкой электроэнцефалограммы (ЭЭГ) или электронейромиограммы (ЭНМГ) у пациентов, а о специалисте-нейроученом, который способен понять физиологию и технические условия работы различных отделов ЦНС человека и управлять ими через систему информационных кодов и информационного картирования различных информационных уровней нервной ткани человека. То есть мы говорим о профессионале, способном к снятию геномной и постгеномной информации (транскриптомики, протеомики, секретомики, метаболомики и т.д.), регистрации и регуляции специализированной биофизической информации от различных участков нервной ткани головного и спинного мозга и способном ее при необходимости перепрограммировать и перенаправить в нужную сторону через систему электронных микрочипов, нанотрубок или нейропротезов. Это будет высший пилотаж нейрофизиологии и нейробиоуправления функциями мозга с использованием нейроинженерных программных средств и инструментов.

Другим направлением подготовки клинических нейроинженеров станут врачи-нейрохирурги, обладающие техническими знаниями и технологическими навыками имплантации электронных устройств и микрочипов в зоны повреждения головного и спинного мозга человека и способные восстанавливать проведение нервного импульса между «живыми» и «неживыми» функциональными элементами и структурами нервной ткани без потери качества проводимого нервного импульса. Для этого нужно иметь новое фундаментальное понимание информационно-коммутационного устройства головного мозга человека и млекопитающих, а также навыки микронейрохирурга и нейроинженера-нейротехнолога.

Еще одним направлением подготовки нейроинженеров станут дистанционные бесконтактные мультиволновые реконструкции головного и спинного мозга под контролем магнитно-резонансной томографии (МРТ) и других аппаратных средств лучевой диагностики, которые станут реальной альтернативой современным нейрохирургическим операциям. Первые варианты подобного нейробиоинженерного подхода мы продемонстрируем далее, в отдельной главе о дистанционной бесконтактной мультиволновой радионейроинженерии нервной ткани человека.

В последние годы наряду с термином «нейроинженерия» в средствах массовой информации (СМИ) очень широко используется термин «нейротехнологии». Особенно актуален этот термин стал после создания и запуска в 2012 г. 10-летнего международного европейского научно-исследовательского проекта Human Brain Project, разработанного по инициативе Еврокомиссии, стоимостью в 1,2 млрд евро, где термин «нейротехнологии» обрел новое биологическое звучание, новый научный смысл и биотехнологическое содержание. Под нейротехнологиями 300 ведущих европейских нейроученых стали понимать различные технологические стратегии изучения мозга, диагностики и лечения неврологических заболеваний и психических расстройств, а также способы нейроинженерной реставрации и восстановления нарушенных функций поврежденного мозга человека. Термин «нейротехнологии» стал настолько наукоемким и всеобъемлющим, что он стал не только нейробиологическим, биомедицинским и биотехнологическим, но и инженерно-техническим и социально-экономическим. С одной стороны, под нейротехнологиями стали понимать природоподобные биоинженерные, нейроматематические и вычислительные технологии, а также работу с большими объемами данных (big data), а с другой стороны, нейротехнологиями стали называть создание нейроморфных вычислительных суперкомпьютеров и робототехники, а также нейроинтерфейсов между мозгом человека и компьютером (Каплан и др., 2018). Разработка и создание систем искусственного интеллекта тоже определена учеными как одна из самых продвинутых нейротехнологий. Таким образом, термин «нейротехнологии» стал собирательным образом всех инноваций и новаторских решений в области изучения мозга человека, реконструкции поврежденного мозга, восстановления нарушенных функций и создания природоподобных нейроморфных систем вычислительной техники, имитирующих устройство и принципы работы мозга человека. Именно нейротехнологии должны будут в 2022 г., по завершении глобального Human Brain Project, дать возможность европейцам создать искусственный интеллект на базе нейроморфного суперкомпьютера нового поколения и новое понимание устройства мозга человека. Впервые именно в свете нового понимания устройства мозга человека нейроученые из Евросоюза стали говорить о создании теоретической неврологии, которая сможет дать методологическое и теоретическое обоснование созданию принципиально новых нейротехнологий. Сегодня научный прорыв и победа в области развития и создания нейротехнологий должны будет обеспечить победителям мировой гонки технологий технологическоее превосходство перед противниками и партнерами.

Принципиально новая постановка проблемы мирового лидерства через технологическое превосходство и нейротехнологии и амбициозность замысла европейцев ошеломили половину мира и в первую очередь их партнеров из США. В ответном шаге американской администрации уже через год (2013) на эту стратегическую инициативу европейского научного сообщества была принята ответная инициатива американских ученых под названием Brain Initiative с общим финансированием в 3 млрд долл. США, где основной упор в разработках и исследованиях также был сделан на создание инновационных, энергетически малозатратных или подобных по энергозатратам и эффективности мозгу человека нейротехнологий. Флаг развития нейротехнологий, поднятый европейцами и учеными из США, подхватили японские политики и ученые, а затем китайские ученые и руководители коммунистической партии Китая, которые решили вложить в нейротехнологии количество юаней, эквивалентное 10 млрд долл. США.

Сегодня гонка вооружений XX в. стала соперничать с гонкой технологий XXI в. и стало очевидным, что победителем в первой станет явный фаворит во второй. Нейротехнологиям отводится центровое место в системах обороноспособности государств, создании нейроморфных супервычислителей, искусственных интеллектуальных роботизированных систем вооружения и нейроподобных технологий защиты от психотронного воздействия на армии разных стран. Под нейротехнологиями в настоящее время в зарубежных научно-исследовательских проектах понимают научные исследования, биомедицинские и вычислительные технологии в области создания нейроморфных природоподобных вычислительных суперкомпьютеров и накопителей информации, разработку и создание нейроинтерфейсов или устройств для осуществления взаимодействия между мозгом человека и компьютером, нейроинтерфейсов для управления оружием, техникой, роботизированными устройствами и даже бионическими протезами конечностей. К нейротехнологиям также относят технологии нейросетевой обработки и хранения больших объемов биологической и социальной информации, разработку и создание инновационных клеточных и биоинженерных технологий диагностики и лечения целого ряда неизлечимых неврологических заболеваний в виде основных нервных болезней цивилизации: болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, системная корковая атрофия и слабоумие, боковой амиотрофический склероз, генетические нервные болезни и т. д. Эти технологии предполагают создание ультрасовременных способов молекулярно-биологической диагностики целого ряда психических расстройств и нервных болезней на основе геномных (геномики) и постгеномных (транскриптомики, протеомики, метаболомики, секретомики) биотехнологий. Нейротехнологии ставят целью возможность управления функциями головного мозга, памятью человека и нейролигвистического перепрограммирования личности человека. Поэтому в этой связи нейроинженерия — это больше инструментальное и программное обеспечение для реализации стратегических замыслов путем предлагаемых и планируемых воздействий на головной мозг человека с целью управления его функциями. Реализация этого замысла возможна только путем создания нейротехнологий, обеспечивающих инсталляцию новых функций и возможностей мозга и возможность их практической реализации у человека.

Существенным компонентом современной нейроинженерии является нейрокибернетика, и эти термины нельзя путать или отождествлять. В интернете в статье «Элементы кибернетики нервной системы» (https://lektsia.com/6xa917.html) идет серьезный анализ нейрокибернетического нейроинженерного направления в нейронауках. Нейрокибернетика, или кибернетика нервной системы, — наука, изучающая процессы управления и связи в нервной системе. Такое определение предмета и задач кибернетики нервной системы позволяет выделить 3 ее составных компонента (раздела): организацию, управление и информационную деятельность. Именно поэтому понимание основ нейрокибернетики позволяет строить искусственные нейроинженерные устройства и нейробиотехнологии. В сложных полифункциональных интегративных системах мозга невозможно раздельное функционирование элементов организации, управления и информационной деятельности, они тесно связаны и взаимообусловлены. Эти кибернетические принципы устройства ЦНС и должна моделировать нейроинженерия в своих устройствах и нейроинтерфейсах. Организация нервной системы во многом предопределяет механизмы управления и эффективности передачи и переработки информации. Управление модифицирует механизмы организации и самоорганизации, обеспечивает эффективность и надежность информационной функции системы. Информационная деятельность является обязательным условием совершенствования процесса организации, управления как оперативный прием эффективного воздействия и целенаправленного видоизменения.

В центре внимания теории организации и самоорганизации в нейрокибернетике лежит представление о системных свойствах конструкций мозга на разных морфологических и эволюционных уровнях устройства нервной системы. Ведущим свойством системы является организация. Система — совокупность элементов, где конечный результат кооперации проявляется не в виде суммы эффектов, составляющих элементы, а в виде произведения эффектов, т.е. системность как характерное свойство организованной сложности предполагает неаддитивное сложение функций отдельных компонентов. Объединение двух и более элементов в системе рождает новое качество, которое не может быть выражено через качество составляющих компонентов.

Отдельный нейрон является носителем свойств, позволяющих ему интегрировать влияние других нейронов, строить свою активность на основании оценки результатов интеграции. С другой стороны, на основе таких свойств происходит объединение индивидуальных нейронов в системы, обладающие новыми свойствами, отсутствующими у входящих в их состав единиц. Характерной чертой таких систем является то, что активность каждого составного элемента в них определяется не только влияниями, поступающими по прямым афферентным путям каждого элемента, но и состоянием других элементов системы. Свойство системности в нервных образованиях возникает тогда, когда деятельность каждой нервной клетки оказывается функцией не только непосредственно поступившего к ней сигнала, но и функцией тех процессов, которые происходят в остальных клетках нервного центра (Костюк, 2010; Eichenlaub et al., 2020; Willett et al., 2020).

Оптимальная организация нервных конструкций обычно сочетается со значительной структурой или функциональной избыточностью, которой принадлежит решающая роль в обеспечении пластичности и надежности биологической системы. Нервная система животных и человека — самая совершенная по структуре система, разнообразие форм и размеров клеток которой не имеет аналога ни в какой другой физиологической системе биологического организма. Все многообразие и сложность форм нервных клеток в разных структурах и органах есть результат и основа богатого разнообразия функций элементов ведущей регуляторной системы организма. Часто наблюдаемые петлеобразные структуры в архитектонике волокнистых структур мозга (боковые и возвратные ветви аксонных отростков), обеспечивающих возможность циркуляторного прохождения информации, очевидно, выполняют функции механизма обратной связи, играющей столь важную роль в кибернетике нервной системы.

Важным моментом организации и самоорганизации служит системообразующий фактор — результат действия (Анохин, 1968). Реальной физиологической системой нейронов является комплекс нервных клеток, у которых взаимодействие и взаимоотношения приобретают характер взаимодействия элементов на получение фиксированного полезного результата.

Суть процесса управления заключается в том, что из множества возможных воздействий отбираются и реализуются те, которые направлены на поддержание, обеспечение рассматриваемой функции органа. Управление представляет собой информационный процесс, предусматривающий обязательность контроля за поведением объекта благодаря кольцевой, или круговой, передаче сигналов. Это предусматривает два вида передачи информации: по цепи управления от регулятора к объекту и в обратном направлении — от объекта к регулятору, при помощи обратной связи, по которой поступает информация о фактическом состоянии управляемого объекта.

Обратная связь бывает двух видов: положительная и отрицательная. В случае положительной обратной связи сигналы, поступающие на вход системы по цепи обратной связи, действуют в том же направлении, что и основные сигналы (воздействие среды). Положительная обратная связь ведет не к устранению, а к усилению рассогласования в системе. Отрицательная обратная связь обеспечивает выдачу управляемому объекту со стороны управляющего устройства команд, направленных на ликвидацию рассогласования действия системы (отклонений параметров системы от заданной программы). Стабилизирующая роль отрицательной обратной связи проявляется в том, что дополнительные сигналы, поступающие на вход системы по цепи обратной связи, действуют на систему в направлении, противоположном основному воздействию на объект.

В нейронных системах мозга встречаются два типа регулирования: управление по отклонению и управление по возмущению. При управлении по отклонению, или по рассогласованию (величина ошибки), в качестве запускающего воздействия служит само отклонение регулируемой величины. В этом случае независимо от причины рассогласования возникшее отклонение вызывает регуляторные воздействия, направленные на его ликвидацию. Если этого окажется недостаточно для устранения эффекта возмущающего стимула, система мобилизует дополнительные механизмы обеспечения гомеостаза. Такой способ регулирования является наиболее простым и встречается в основном в примитивных формах организации нервной системы, на низших уровнях ее конструкции.

Ведущая роль нервной системы в организме определяется ее управляющей функцией по отношению к другим органам и тканям, обеспечиваемой благодаря способности воспринимать и перерабатывать информацию в целях оптимального приспособления организма к стохастической внешней среде. В процессе эволюционного филогенетического совершенствования нервных структур как ведущей информационной системы организма конструктивные особенности мозга определяют высокую адекватность (оптимальность) его коммуникационных систем: на мультиклеточном уровне центральные нервные образования вместе с рецепторами и эффекторами составляют информационное поле с богатейшими возможностями для обработки сигналов.

Считается, что основным носителем информации в нервных клетках являются импульсные потоки, состоящие из отдельных импульсных сигналов стандартной амплитуды — распространяющихся потенциалов действия. Центральным моментом в информационной деятельности нервных структур является кодирование, суть которого составляет процесс преобразования сообщения из одной формы в другую. Трансформированная в рецепторах информация подвергается в организме многократным дальнейшим превращениям на разных стадиях и уровнях организации нервной системы. Тонкая электрохимическая физиология рецепторов и синаптических соединений характеризует физический субстрат элементарных информационных превращений. В качестве кодирующих информацию элементов в самом импульсном потоке может быть любое статистическое измерение, характеризуемое определенным законом изменения в связи с различной интенсивностью раздражения.

В деятельности нервной системы значительное место занимают способы и методы пространственного кодирования информации, обеспечивающие высокую экономичность передачи информации о пространственном расположении, характеристике стимулов. Формы пространственного кодирования информации в дополнение к различным видам временного кодирования (интервальное, частотное и др.) существенно повышают информационную емкость нервных структур.

Сравнение суммарного информационного потока, поступающего в живой организм через органы чувств (3 × 10⁹ бит/с), с количеством информации, необходимой для принятия целесообразного решения (20—25 бит/с), указывает на высокую избыточность входной информации, наличие специфических механизмов, уменьшающих количество информации по мере ее продвижения в структурах анализатора (от рецепторов к центральному отделу анализатора).

Из окружающей среды в организм в среднем поступает до 100 бит информации в секунду, но благодаря селективным свойствам сенсорных систем в мозг поступает лишь 10 бит информации. В процессе адаптивного приспособительного поведения животного организма значительная роль принадлежит сенсорным реле — промежуточным узловым структурам сенсорных систем. Они выполняют функции выявления во входных посылках физиологически важной информации. В результате в сенсорных реле, образующих фильтрующие (перекодирующие) центры, происходит регулирование суммарного входного информационного потока в соответствии с требованиями других отделов нервной системы и всего организма в целом (Bryukhovetskiy, 2015).

Мы так подробно остановились на современном понимании устройства головного мозга человека и существующих в научной литературе кибернетических принципах работы мозга, чтобы вы могли сравнить их в дальнейшем с нашим авторским пониманием предложенного информационно-коммутационного устройства и увидеть кардинальные их отличия в теории, в эксперименте и на практике.