Чип и нерв спешат на помощь: в России выращивают искусственный мозг
Открытие нижегородских ученых поможет восстанавливать естественные нейросети
Ученые Приволжского университета фундаментальной медицины выращивают в пробирке искусственный мозг из биоматериала животных. В будущем за счет этой технологии можно будет вырастить нейроны из стволовых клеток человека и тестировать новые лекарства, персонально подбирать их для лечения людей с болезнями ЦНС, таких как эпилепсия. Новация в будущем может способствовать увеличению чувствительности к бионическим протезам. С промежуточными итогами исследований ознакомились «Известия».
Сложить мозг в чашку
Почти 2 тыс. нейронов размещаются в специальной среде в стеклянных чашках Петри на микрочипе площадью 1 кв. мм на сеточке, состоящей из 100 и более микроэлектродов под небольшим напряжением, которые могут регистрировать потенциал клетки, не повреждая ее. Эти электроды формируют сложную картину работы всех клеток автоматически передавая изображение «общения» нейронов в чашках Петри по коммуникациям на экран монитора компьютера. Графически выращенный в пробирке мозг изображен как обычный хаотичный рисунок, мигающий то фиолетовыми, то синими цветами, но на самом деле это искусственно выращенные в лаборатории нейроны передают друг другу электрические импульсы и отвечают на него.
— Это импульсы самой настоящей нейросети, но выращенный в лабораторных условиях. Их мы фиксируем каждые три секунды. Одна нейронная сеть пускает сигнал, а вторая — на него реагирует подобно естественной нейрохимической, что в головном мозге, — говорит д.м.н., профессор Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ) Ирина Мухина.
«Мозг на чипе», как между собой называют нижегородские исследователи свои разработки, в лабораторных условиях растет довольно быстро. В сети нейроны соединяются друг с другом за пять дней, максимум за неделю. Пока искусственный мозг может производить только элементарные функции, но они, говорят ученые, важные, так как доказывают, что в будущем можно будет анализировать механизмы хранения, обработки и передачи информации в нейронных сетях мозга, связи между архитектурой сети нейронов и функцией, которую она реализует.
Новое исследование нижегородских ученых расширяет возможности в области медицины и нейробиологии. Например, она поможет разработать технологию для подбора оптимальных лечебных подходов и лекарств для лечения людей с заболеваниями головного мозга и реабилитации его травм. Пока что все исследования проводятся на тканях и клетках, взятых из эмбрионов грызунов, в ближайшие годы клетки начнут брать у людей.
— В отличие от мышей у человека эта модель будет строиться из стволовых клеток, которые мы получим, взяв биопсию, например, из кожи пациента. Затем методом генетического репрограммирования мы можем получить нейроны головного мозга в лабораторной среде, из них вырастить сеть, состоящую из миллиардов клеток, за которыми можно будет понаблюдать, изучить их динамику и определить, как сигналы между искусственными нейронами распространяются, по каким законам, какие существуют принципы обработки информации у мозга в пробирке, — говорит к.ф.-м.н., руководитель лаборатории нейроинженерии (brain-on-a-chip.ru) Университета Лобачевского Алексей Пимашкин.
Побить Альцгеймера
Передача сигнала через синаптические каналы нейронных сетей называется паттерном внеклеточной регистрации потенциалов нейросети — именно на этом языке клетки головного мозга «коммуницируют» друг с другом. Перед учеными стоит важная задача: получить информацию в результате фундаментальных исследований, как поведет себя созданная нами сеть, если изменить среду пребывания для нее. Нужно проанализировать и зафиксировать, как поведут себя новые нейросети при коматозном состоянии, при ишемии или инсульте. Для этого в рамках эксперимента можно менять PH в среде, где находятся искусственные нейросети, увеличить или уменьшить количество кислорода, говорят ученые.
Эксперименты с искусственными нейросетями продолжаются. В научных планах — выяснить, возможно ли восстановление нейронов у больных нейродегенеративными заболеваниями, например, такими, как болезнь Альцгеймера или Паркинсона. Для этого планируется взять стволовые клетки у больных, поместить их в эту же питательную среду, напоминающую среду в черепной коробке, вырастить из них нейроны и следить за их состоянием и возможностью формировать новые нейросети.
— Для имплантации — а это уже другой смежный проект, — где при определенной степени эпилепсии пациенту перспективным считается имплантация тормозных нейрональных клеток, которые должны сами подавить синхронизированную активность при эпилепсии, но для такого подхода нужно апробировать такую трансплантацию на «чипе» с живыми клетками с эпилепсией и затем переходить на клинические исследования. Мы можем подействовать на них лекарствами и проследить, как новые препараты будут восстанавливать работу этих нейронных сетей, — говорит Алексей Пимашкин.
В рамках поставленных задач ученые планируют найти причину появления нейродегенеративных заболеваний и разработать подходы их лечению. Этим список научных целей не ограничивается, говорят ученые.
— Для изучения этих вопросов нужно разработать технологию выращивания сложных нейронных сетей из ИПС, индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, — по сути, упрощенную модель мозга в лаборатории — мозг-на-чипе, что может быть использовано в медицине. Можно будет вырастить нейронную сеть из клеток конкретного пациента, увидеть уникальные для него особенности появления синхронизированной эпилептиформной активности в сетях и подобрать фармпрепараты или подходы, которые максимально подавляют патологическую синхронную активность, при этом не нарушая полезную активность, которая нужна для обработки информации. Мы используем частично технологию, которая применяется для создания «органа-на-чипе», для моделирования органов и лечения различных патологий и нарушений, в нашем случае задача усложняется сложной биоэлектрической активностью объекта на чипе, что требует фундаментальное исследование,— говорит д.м.н., профессор Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ) Ирина Мухина.
Искусственные нервы — естественная боль
Эксперименты нижегородских нейробиологов в перспективе должны помочь не только страдающим заболеваниями центральной нервной системы людям, но еще и инвалидам, носящим бионические протезы. У тех и других в анамнезе присутствует нарушение нейронных дуг вследствие предшествующих деструктивных процессов. Бывает, что при травме исчезает часть мозга, которая никогда уже не восстановится. На поврежденном месте образуется киста, которая никогда не будет работать как мозговая ткань, а будет просто существовать. Сейчас за работу бионического протеза отвечает не больше трех десятков нейронных сетей. Люди с поврежденными или отсутствующими конечностями могут сжимать пальцы на бионическом протезе, но при этом чувствовать разницу температур или боль они пока не могут.
Регенерация, то есть восстановление клеток мозга, сейчас мало возможна: у таких больных она если и идет, то крайне тяжело и медленно, если не сказать практически не происходит, говорят нейрохирурги.
— Суть проблемы состоит в том, что в веществе мозга нет совершенных процессов регенерации — если часть клеток общего органокомплекса восстанавливаются за счет стволовых клеток — клеток костного мозга, то в веществе мозга такого механизма нет и на месте поврежденных клеток формируется киста — это пустота, заполненная ликвором, плюс соединительная ткань, — говорит врач-нейрохирург НИИ скорой помощи им И.И. Джанелидзе, Ленинградской областной больницы Павел Огнев.
Нижегородские нейробиологи считают, что нейросети можно вырастить в пробирке. Правда, эта часть эксперимента еще в проекте.
— Но мы думаем, что, если мы научимся растить нейросети из материала человека в пробирке, чтобы затем интегрировать растущие прогениторные незрелые нейроны в зрелые нейросети травмированного мозга, если новые выращенные в пробирке нейроны смогут адаптироваться к естественным нейронам, дифференцироваться и расти, как новая нейронная сеть, может, эта технология в будущем станет тканезамещающей терапией для пациентов, у которых после травмы и удаления опухоли отсутствует большая часть мозга, — говорит Ирина Мухина.
