скачать книгу бесплатно
Нейроинженерия и нейротехнологии
А. С. Брюховецкий
М. А. Шурдов
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.
Нейроинженерия и нейротехнологии
А. С. Брюховецкий
М. А. Шурдов
Рецензент: президент Академии медико-технических наук,
доктор медицинских наук, профессор А.Г. Жиляев
Требуется консультация специалиста.
Корректор Анастасия Казакова
Дизaйн обложки Евгения Язвенко
Издательский дом «НейроВита»
© А. С. Брюховецкий, 2022
© М. А. Шурдов, 2022
© «НейроВита», издательский дом, 2022
ISBN 978-5-0055-4202-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Об авторах
Андрей Степанович Брюховецкий – профессор, доктор медицинских наук, ветеран Министерства обороны РФ, полковник медицинской службы в запасе. В настоящее время является генеральным директором Клиники восстановительной интервенционной неврологии и терапии «НейроВита». Врач-невролог высшей категории, вице-президент Международной ассоциации нейровосстановления (International Association of Neurorestoratology), член редколлегии ряда рецензируемых научных журналов: «Гены и клетки», «Journal of Translational Neuroscience and Clinics», «Journal of Neurorestoratology», «Journal Oncology Letter». С 1996 по 2002 г. руководил лабораторией высоких технологий НМИЦ трансплантологии и искусственных органов Министерства здравоохранения РФ. С 2003 по 2013 г. был координатором научной отраслевой программы РАМН «Новые клеточные технологии – медицине». С 2002 по 2006 г. возглавлял кафедру клеточной восстановительной медицины ГОУ ВПО «Российский государственный медицинский университет» им. Н. И. Пирогова. С 2012 по 2015 г. руководитель Центра биомедицинских технологий ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр» ФМБА России. С 2018 по 2020 г. – ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела Центральной клинической больницы РАН. Автор 206 публикаций в рецензируемых российских и международных научных журналах, 10 научных монографий в области регенеративной медицины, неврологии, онкологии на русском языке, 2 монографий на английском языке и 12 глав в разных коллективных зарубежных монографиях; автор 15 патентов РФ, 5 международных заявок PCT и патента США. Меценат; финансировал на собственные деньги и частные инвестиции все свои научные исследования.
E-mail: neurovita-as@mail.ru
Михаил Аркадьевич Шурдов – биолог и биофизик, в 1975 г. закончил Новосибирский государственный университет, получив диплом физика со специализацией «Квантовая оптика и радиофизика», принял предложение остаться стажером-исследователем в том же вузе. С 1975 по 1990 г. прошел все ступени научного работника: стажер-исследователь, инженер, младший научный сотрудник, научный сотрудник. В 1985 г. в Институте биофизики СО АН СССР (г. Красноярск) защитил диссертацию и стал кандидатом биологических наук. В настоящее время крупный предприниматель, председатель Правления и главный акционер группы компаний «Чебоксарский электроаппаратный завод» (ЧЭАЗ), председатель Правления ЗАО Клиника «НейроВита». Автор более 30 научных публикаций и 15 патентов РФ. Меценат, профинансировавщий на собственные средства более 20 научно-исследовательских проектов в электротехнике, электронике, медицине и биологии.
E-mail: neurovita@mail.ru
Сокращения
Вместо предисловия
(рецензия д. м. н., проф. А. Г. Жиляева)
?
Последнее десятилетие XX в. было объявлено мировым научным сообществом и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) «декадой головного мозгачеловека». Эти 10 лет в ушедшем в историю XX в. позволили очень системно и основательно организовать в разных странах мира огромное количество мультицентровых фундаментальных научных и клинических исследований головного мозга человека, стали отправной точкой создания и запуска огромного числа глобальных международных научных нейропроектов в самых разных странах мира. Эти научные исследования были направлены на глубокое и системное изучение работы и функционирования головного мозга человека и понимание информационных и кибернетических принципов его деятельности. Эта работа нейроученых из разных стран и континентов за последнее десятилетие прошлого века принесла колоссальные фундаментальные наработки и результаты и появление живого интереса молодых ученых к нейронаукам по всему миру. Были сделаны удивительные обобщения и умозаключения различных нейроученых о потенциале и информационных возможностях мозга человека и животных. Было показано, что понимание устройства головного мозга может дать научный прорыв в наших научных представлениях о мозге и о человеке в целом. «Понимание человеческого мозга является одной из величайших задач, стоящих перед наукой XXI в. Если мы сможем ответить на этот вызов, то мы можем получить фундаментальное понимание того, что значит быть человеком, разработать новые методы лечения заболеваний головного мозга и построить революционную методологию новых информационных и коммуникационных технологий» (проект The Human Brain Project, 2012).
Читая эти великие мысли европейских ученых, становится понятно, что наши знания о работе столь сложного органа человека, как его мозг, очень поверхностны и значительно устарели. Эти вызовы научному сообществу являются вызовами всему человечеству, и они требуют немедленной реакции на них и осознания глубины и сложности стоящих проблем. Врачи-неврологи и психиатры в настоящее время практически неспособны излечить ни одно из серьезных органических заболеваний и повреждений головного мозга у человека.
Повреждение спинного мозга является практически неразрешимой проблемой для всех неврологических школ в мире. Успехи в современной нейрохирургии, нейрореанимации и нейрореабилитации в спасении жизней людей при целом ряде ранее смертельных нервных болезней и недугов (тяжелая травма мозга, энцефалит, миелит, геморрагический и ишемический инсульты, аневризмы магистральных сосудов головного мозга и т.д.) обернулись армией тяжелых инвалидов с органическим дефектом головного мозга, которым физически невозможно помочь современными методами специализированной и высокотехнологичной неврологической помощи.
Резкое постарение населения в США и Европе привело к увеличению количества больных со слабоумием и болезнью Альцгеймера, число которых может вскоре утроиться – от 4,7 млн в 2012 г. к 13,8 млн к 2050 г. К 2050 г. каждый из 85 человек во всем мире будет страдать болезнью Альцгеймера (Институт здорового старения, США, 2012).
За последние 100 лет количественные показатели эффективности лечения неврологических и психических заболеваний во всем мире практически не изменились, однако расходы на лечение нервных болезней выросли в 200 раз. Согласно отчету Еврокомиссии, расходы на лечение нервных болезней только в странах Евросоюза составляют 80 млрд евро в год (Human Brain Project, 2012).
О необходимости срочного изучения устройства головного мозга и понимания механизмов его функционирования заговорили президенты мировых держав и руководство государственных союзов (Евросоюз, Евразийский союз и т.д.). Нейроученые всего мира признали недостаточность наших фундаментальных знаний о мозге и отсутствие соответствующей теории мозга. Они показали, что реального лечения нервных болезней и травмы мозга во всем мире пока нет и поиск инновационных решений и новых методологических подходов в виде нейроинженерии (neuroengineering) в восстановлении функций мозга во всех странах мира считается одним из самых перспективных и приоритетных направлений мировых исследований и крайне актуален как для военного, так и для гражданского здравоохранения.
Все это привело к тому, что уже в 2008 г. в Швейцарии стартовал один из первых европейских нейропроектов – Blue Brain Project. В 2009 г. был запущен нейропроект SyNAPSE Project по изучению межклеточных синаптических контактов в головном мозге, а уже в 2010 г. в США был открыт Connectomе Project по исследованию существующих связей в головном и спинном мозге. 2011 год ознаменовался запуском уникального проекта по созданию искусственной модели мозга – Spaun. В этом же году Еврокомиссия предложила нейроученым Евросоюза создать свой проект изучения и исследования мозга, и уже в 2012 г. такой мегапроект с финансированием в 1,2 млрд евро был запущен под названием Human Brain Project. В рамках этого проекта были задействованы 300 ведущих специалистов-неврологов, нейроученых и специалистов в области компьютерных технологий и вычислительной техники, 80 научных институтов и специализированных научных учреждений Европы и за ее пределами. Ученые предложили использовать современные компьютерные модели и симуляторы, чтобы сконструировать виртуальный мозг и создать новые лекарственные средства.
США отреагировали на подобный проект собственной научной инициативой стоимостью 3 млрд долл. США и назвали свой проект Brain Initiation Project. В американской инициативе впервые в мире были сформулированы термины и базовые сущности понимания современных нейротехнологий и определены приоритеты работы в области создания интерфейса между мозгом человека и компьютером. В 2013 г. был открыт новый Project BigBrain. Этот проект стал основой интеграции и объединения ученых-нейроанатомов и специалистов IT, которые пытаются понять на основе микронейроанатомических срезов нервной ткани сущность устройства мозга.
Китай запустил в 2015 г. свой проект исследования мозга стоимостью, эквивалентной 10 млрд долл. США, а Япония выделила на подобные научные исследования финансирование, эквивалентное 5 млрд долл. США. В итоге только за десятилетие с 2011 по 2021 г. в нейроисследования инвестирования финансовых средств эквивалентны более чем 15 млрд американских долларов. Ничего подобного ранее в медицине не происходило никогда.
За два десятилетия XXI в. такие современные науки о мозге, как неврология, нейрохирургия, психиатрия, нейропсихология, нейрофизиология, нейроанатомия и другие, объединились в единый конгломерат с современными инженерными дисциплинами и информационными технологиями и стали развиваться столь стремительно и наукоемко, что вышли на передний край всей мировой науки под флагом нейроинженерии и нейротехнологий.
Сегодня сами термины «нейроинженерия» и «нейротехнологии» никого не удивляют и не восхищают. Университеты США готовят дипломированных нейроинженеров, а нейротехнологии отнесены к критическим и двойным технологиям развитых государств мира. Гонка вооружения высокоразвитых государств XX в. сменилась гонкой технологий XXI в., где на первом месте стоят именно нейротехнологии. СМИ растиражировали достижения нейроученых всего мира и особенно пионерские исследования Оборонного агентства США (DARPA) по созданию интерфейсов между мозгом человека и компьютером (нейроинтерфейс).
Сегодня мы ждем от нейроинженерии реальных результатов биотехнологий по созданию «умного дома» для инвалидов; инвалидной коляски, «управляемой силой мысли»; нейропротезов конечностей, управляемых имплантируемыми «нейроинтерфейсами между компьютером и периферическими нервами». Соединение «живого» и «неживого» компонентов нервной ткани головного и спинного мозга человека для создания новых функций поврежденного мозга стало фундаментальной основой этих новых нейроподходов и создаваемых технологий.
Большой интерес современной отечественной науки к вопросам нейроинженерии и нейротехнологий подтверждается тем, что в России с 2015 г. осуществляется большой комплекс проектов под общим названием «Нейронет», представляющий собой национальную технологическую инициативу, в рамках которой предусматривается опережающее развитие фундаментальных и прикладных аспектов нейронаук и нейроинженерных технологий.
Рецензируемая книга очень аккуратно и деликатно вводит читателя в инновационную область современных нейронаук: нейроинженерию и нейротехнологии. Авторы очень критически анализируют состояние проблемы нейроинженерии и нейротехнологий в мире и излагают собственные данные и исследования, которыми они занимаются уже около 30 лет. Многие вещи для меня, человека, который более 30 лет занимается нейронауками, были откровением и вызвали живой интерес. Книга читается легко и просто, излагает очень сложные проблемы современных нейронаук простым и доступным языком. «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает».
Несомненно, в монографии есть ряд очень сложных и дискуссионных вопросов, которые требуют, на мой взгляд эксперта, более детального обсуждения и иллюстраций. Так, например, мне кажется, что нужно представить более подробные данные по функциональным возможностям микроволновой энцефалографии. Хотелось бы увидеть первые опытно-конструкторские образцы этого интересного медицинского оборудования. Крайне важно, что авторы книги представили свою перспективу развития нейроинженерии и нейротехнологий на ближайшее время и на перспективу.
Благодарю авторов за созидательный научный труд и преданность своему делу в отечественных нейронауках. Признателен авторам за очень доступное и понятное написание этой научной книги, которая смогла систематизировать достаточно разрозненные знания и достижения в области нейроинженерии и нейротехнологий по всему миру и показать надежды человечества в этой области.
Надеемся, что молодым нейроученым и клиницистам будет очень интересно ознакомиться с отечественной историей становления нейроинженерии и этапами создания национальных нейротехнологий. Пожелаем доброго пути этой книге и много умных читателей и научных последователей.
Введение
Написать книгу о современной нейроинженерии и перспективных нейротехнологиях мы задумали достаточно давно, т.к. наша команда врачей-неврологов и нейрохирургов, нейробиологов, физиков, инженеров, математиков и программистов уже более 30 лет активно интересовалась и увлеченно занималась в эксперименте на животных и в клинике нервных болезней проблемой реставрации поврежденной нервной ткани и восстановлением нарушенных функций головного и спинного мозга у человека и животных. Уже более 30 лет нами применялись самые передовые для своего времени и для нашей страны биомедицинские и нейробиоинженерные технологии реставрации мозга. На протяжении этих долгих лет нами был реализован в эксперименте и применен в клинике очень широкий спектр современных биомедицинских нейротехнологий, направленных на реконструкцию и восстановление анатомо-морфологической структуры участков поврежденного спинного и головного мозга человека. Для нейрореставрации поврежденного головного и спинного мозга в конце прошлого века (1989—2000) нами применялись трансплантации фетальных клеток и клеток пуповинной крови человека, аутологичных нейральных стволовых и прогениторных клеток, полученных из обонятельной выстилки носа пациента, а также транскраниальная магнитостимуляция мозга и имплантация нейростимуляторов головного и спинного мозга человека (Брюховецкий, 2003; Брюховецкий, 2010; Брюховецкий, Хотимченко, 2018; Брюховецкий и др., 2018). Последние два десятилетия XXI в. мы активно развивали терапевтические нейротехнологии реставрации поврежденного мозга с использованием интратекальных и интравентрикулярных цитотрансфузий аутологичных и гаплоидентичных (близкородственных) гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) костного мозга (более 17 тыс. трансплантаций у 5 тыс. человек), мобилизованных в периферическую кровь гранулоцитарным колониестимулирующим фактором (Г-КСФ). В 2005 и 2006 гг. эта биомедицинская нейротехнология была официально разрешена в Российской Федерации к клиническому применению Минздравом России и Росздравнадзором и была зарегистрирована в реестре новых биомедицинских технологий Минздрава России. Другой нейротехнологией стали наши исследования по интервенционной биоинженерии головного мозга с использованием малоинвазивных, стереотаксических и рентгенохирургических способов реконструкции мозга (более 300 операций на человеке с программной региональной перфузией, стентированием и балонной ангиопластикой, стереотаксической нейротрансплантацией и имплантацией нейростимуляторов) и операций по тканевой инженерии с имплантацией гетерогенного матрикса «СфероГель»
у 104 пациентов с последствиями травм спинного мозга и имплантации биодеградируемых биополимерно-клеточных нейроэндопротезных систем.
Новым направлением нейроинженерии стали наши пионерские исследования начала XXI в. по дистанционной мультиволновой бесконтактной радионейроинженерии. Данная нейротехнология нейрореставрации поврежденного мозга была нами запатентована в 2017 г. и Роспатентом признана как одно из 100 лучших изобретений Российской Федерации в 2017 г. Более 200 человек с органическим поражением головного и спинного мозга успешно прошли лечение с использованием этой нейротехнологии. В этой книге мы целую главу посвятили этой инновационной технологии бесконтактной реставрации поврежденного головного и спинного мозга и надеемся, что многих нейроученых заинтересует наша новая разработка.
Большая часть нейроинженерных операций была проведена нами в прошлом веке еще с применением фетальных клеточных систем и биоинженерных работ по интервенционной неврологии и функциональной нейрохирургии. Они были выполнены нами на базе 32 Центрального военно-морского клинического госпиталя Министерства обороны России в рамках разработки и создания программ лечения боевой травмы мозга у военнослужащих. Часть научно-исследовательских работ была выполнена на базе НМИЦ трансплантологииНМИЦ ТиО Минздрава России и ГУ НИИ социальной и судебной психиатрии им В. П. Сербского в рамках межведомственной программы «Нейротрансплантация и клеточная трансплантация при травме головного и спинного мозга и опорно-двигательного аппарата» под руководством директора этого института акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. Валерия Ивановича Шумакова.
Однако самая значительная часть исследований по реставрационной нейроинженерии была выполнена нами на базе частного высокотехнологического госпиталя ЗАО Клиника «НейроВита» в рамках отраслевой научно-исследовательской программы «Новые клеточные технологии – медицине» Российской академии медицинских наук (РАМН). Научными руководителями этих больших проектов были ведущие ученые страны – директор ГУ НМИЦ трансплантологииНМИЦ ТиО акад. РАН и РАМН, проф., д.м. н. В.И. Шумаков и ректор Российского государственного медицинского университета (РГМУ) им. Н. И. Пирогова акад. РАМН, проф., д.м. н. В.Н. Ярыгин. Исследования в рамках этой программы преимущественно выполнялись и финансировались силами Министерства обороны России, а также за счет средств Минздрава России и Российского государственного медицинского университета (РГМУ). Все работы по нейробиоинженерии проходили под постоянным контролем и надзором ученых советов и этических комитетов ГУ НИИ ТиО и РГМУ, а в дальнейшем – преимущественно на средства, заработанные клиникой «НейроВита», и спонсорские частные средства меценатов, физических и юридических лиц.
Из вышесказанного очевидно, что экспериментальными и клиническими нейроинженерными технологиями в восстановлении повреждений головного и спинного мозга человека и животных наша команда занимается больше 30 лет. Однако сам термин «нейроинженерия» появился в научной литературе сравнительно недавно и преимущественно связан с появлением в начале второго десятилетия XXI в. учебных и научных программ во многих американских университетах по курсу «Нейроинженерия». До этого времени все научные и прикладные исследования в области восстановления поврежденного головного и спинного мозга, а также методы инженерного восстановления повреждений периферической нервной системы шли под флагом «реконструктивно-восстановительной нейрохирургии», «нейротрансплантации», «тканевой инженерии мозга», «биоинженерии мозга», «функциональной нейрохирургии» и т. д. В Российской академии наук (РАН) более 40 лет даже существовало такое специализированное научное направление исследований, как биоинженерия, и был организован целый академический научно-исследовательский институт, занимающийся фундаментальными проблемами биоинженерии. При этом в Российской академии наук под биоинженерией преимущественно понимались генная инженерия, пептидная инженерия, молекулярная инженерия новых лекарственных препаратов и другие виды инженерных исследований, преимущественно в биологии, сельском хозяйстве и в меньшей мере в медицине. В РАН понятие нейроинженерии в структуре биоинженерии не использовалось и не применялось в принципе. Однако уже в конце прошлого века по всему миру отдельные исследователи и исследовательские научные коллективы стали применять термины «тканевая инженерия» (Vacanty et al., 1998), «нейробиоинженерия» и «нейротехнологии» (Брюховецкий и др., 2000; Брюховецкий, 2003; Брюховецкий и др., 2018) или «нейрореставрология» (Raisman, 2006, 2015; Honyung et al., 2006; Honyung, 2018) для обозначения результатов реконструкции и реставрации нервной ткани поврежденного головного спинного мозга млекопитающих и человека.
Современное представление термина «нейроинженерия» и новое научное содержание этого термина относят к моменту появления первого научного журнала в этой области нейронаук в США. 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. На одной из них, которая проходила с 29 апреля по 2 мая 2009 г. в Анталии (Турция), под брендом 4
Conference on Neural Engineering были сформулированы основные тезисы и глобальное научное содержание этой новой мировой научной дисциплины.
Поэтому как самостоятельная научная дисциплина нейроинженерия существует сравнительно недавно, а имеющаяся информация и исследования в этой области нейронаук носят достаточно ограниченный характер. Но ситуация в этой инновационной области нейронаук очень быстро меняется. Другими словами, только за последние 10 лет в отечественной и зарубежной научной литературе сформировалось новое представление о научном и клиническом содержании термина «нейроинженерия» который включает в себя новое научное направление в нейронауках, основанное на сочетании «живых» и «неживых», искусственных инженерных компонентов нервной ткани головного и спинного мозга человека для восстановления его нарушенных функций. Однако термин «нейроинженерия» и сегодня постоянно меняется и трансформируется. Сегодня в мировой нейронауке нет единого и четкого научного и научно-практического содержания этого термина, и научные споры о сущности и содержании термина «нейроинженерия» продолжаются.
Некоторые из ведущих мировых ученых-нейрохирургов предполагают, что под нейроинженерией нужно понимать только сугубо биоинженерные и тканево-инженерные хирургические подходы, осуществляемые как в фундаментальной науке, так и в клинике нервных болезней, связанные исключительно с нейрохирургическими операциями по реконструктивно-восстановительной реставрации нервной ткани головного и спинного мозга (Honung et al., 2017; Lin et al., 2018). То есть они видят нейроинженерию как исключительно нейрохирургический инструментарий и технологический подраздел новой нейронауки под названием «нейрореставрология» (Honung et al., 2017), а не как самостоятельную научную дисциплину.
Другая точка зрения заключается в том, что под нейроинженерией другие современные нейроученые понимают более широкий круг научных и клинических исследований, целью которых является как использование «живых» компонентов нервной ткани (нейронов, астроцитов, олигодендроцитов, микроглиальных клеток и т.д.), так и применение искусственных, т.е. «неживых» компонентов (гетерогенные матриксы и биополимерные гели, искусственные хромосомы нервных клеток, искусственные митохондрии нейронов и клеток нейроглии, искусственные нервные волокна, чипы и имплантируемые микро- и наноэлектроды, управляемые электронные устройства и т.д.) для восстановления утраченных или нарушенных функций нервной ткани (Брюховецкий, Хотимченко, 2018).
Есть еще одно, достаточно ортодоксальное мнение о том, что под «нейроинженерией» следует понимать исключительно нейроматематику и нейрокомпьютерные технологии, а все другие технологии должны называться нейробиоинженерией (Галушкин, 2013). Наверное, правильнее было бы в этой книге для врачей и биологов говорить о «биомедицинской нейроинженерии», а не о техническом и технологическом аспектах этой сложной и многоуровневой проблемы. Но мы попытаемся поговорить обо всех направлениях этой современной науки под таким громким названием, как нейроинженерия, и об основных нейротехнологиях, существующих в мире в настоящее время.
Целью написания этой книги была попытка осуществить систематизацию имеющихся знаний в этой области и введение в проблему нейроинженерии отечественных нейроученых и нейробиологов, врачей-специалистов, работающих в области неврологии, нейрохирургии, психиатрии, нейрофизиологии и лучевой нейродиагностики, а также предоставить объективную информацию для большинства инженеров-технарей и нейроученых, различных наших «продвинутых» читателей, интересующихся этой областью медицинской нейронауки, а также показать ее возможности и существующие реальные ограничения на современном этапе мирового научно-технического прогресса.
Основные определения этой науки мы дадим в первой главе этой книги, но во введении к ней хочется сказать, что во все времена начиная с середины ХХ в. и в начале третьего десятилетия ХХI в. все исследования и работы в области реставрации поврежденного мозга и нейроинженерии были преимущественно закрыты грифами «Для служебного пользования» или вообще были засекречены, т.к. всегда были «несвоевременными» и «неожиданными» для общества и государства. Считается, что эти исследования якобы всегда претендовали на новые способы биоуправления мозгом, методы регуляции сознания и воздействия на психику человека. В последние годы стали говорить о нейроинженерии как науке об управлении информацией в мозге! Это связано с тем, что уже давно известна аксиома: кто будет управлять информацией и сознанием человека, тот будет управлять миром! Поэтому, с одной стороны, эти продвинутые исследования с восхищением и надеждой воспринимались отдельными учеными, определенными научными школами и группами ученых и даже обывателями различных стран мира как надежда на будущее, но, с другой стороны, они жестко контролировались государственными органами власти и осуждались и критиковались государственными чиновниками от медицины, ведущими академическими нейроучеными (нейробиологами, неврологами и нейрохирургами) нашей страны и большинства зарубежных научных школ. В СССР все исследования в области биоуправления мозга, контроля сознания и паранормальных явлений, а также нейрореставрации контролировались КГБ СССР и были преимущественно закрытыми и засекреченными. Эти исследования также всегда были жестко ограничены «неформальными» рамками морально-этических аспектов этой проблемы и существующими государственными регламентами и ограничениями. Как правило, все разработки в этом направлении отслеживались и курировались специальными службами тех стран и государственных объединений, где проводились эти исследования. Спецслужбы наших зарубежных партнеров также внимательно отслеживают все работы ведущих мировых ученых, работающих в этом направлении. По-видимому, наличие подобного контроля и надзора со стороны государств за этим научным направлением мировой нейронауки – это очень правильное и необходимое обстоятельство для безопасного будущего всей человеческой цивилизации.
Нейроинженерия, даже при своем зарождении, всегда воспринималась учеными и обществом очень настороженно и с большим недоверием, как во времена, когда с целью реконструкции нервной ткани проводили трансплантации кусочков эмбриональной нервной ткани в мозг животных и человека (Полежаев, Александрова, 1986, 1993), так и до мирового признания этих нейроисследований как официально существующей нейроинженерной науки нейрореставрологии, лидеры которой в 2005 г. создали свою международную ассоциацию ученых и исследователей (International Association of NeuroRestavrology – IANR), проводят свои съезды, конференции и мировые конгрессы (Raisman et al., 2005; Honung et al., 2010, 2018). Нейроинженерия всегда опережала время и была вообще вне времени. Нейроинженерия всегда была нейронаукой из будущего, которым мы занимались в прошлом и в настоящее время. Однако, постоянно «грезя о будущем» с его невероятными возможностями для человечества и нашей цивилизации, нейроинженерия жила в настоящем и была всегда вынуждена подстраиваться, понимать и принимать реальность происходящего, а не только прогнозировать грядущие открытия и будущие великие перспективы!
Однажды, весной 2016 г., в г. Москве мы с нашими научными сотрудниками ехали в автомобиле по дороге на работу и прочитали на одном рекламном щите удивительный по емкости и глубине предлагаемой философии рекламный слоган «Создаем будущее сегодня». Мы тогда не очень поняли, о чем был этот рекламный щит, но он нас зацепил за живое и мы долго думали и обсуждали между собой то, что это словосочетание очень хорошо отражает суть того огромного этапа нашей предыдущей жизни (почти в 28 лет), когда мы пытались создавать инновационные технологии реставрации нервной ткани головного и спинного мозга человека и животных и наши результаты почти всегда опережали время и были несвоевременными и очень пугающими для коллег и ученых, да и для нас самих. Этот высокопарный рекламный слоган можно было бы взять эпиграфом ко всей этой многолетней нашей работе, т.к. он очень емко отражал смысл проводимых нами исследований и сущность задуманной нами книги, которую мы когда-нибудь собрались написать об этом периоде нашей жизни и выпустить в свет, но не в качестве личных мемуаров о нашей жизни, а в качестве научной монографии об этом направлении нейронауки и о своем понимании этого инновационного направления современной биомедицины.
Таким образом, наш личный опыт использования нейроинженерных подходов для реставрации поврежденной нервной ткани головного и спинного мозга составляет более 30 лет, и все эти годы нам очень хотелось поделиться своими знаниями и полученным опытом с читателями. Нам было нужно рассказать об истории и основных вехах становления этой новой медицинской нейронауки в России и за рубежом. К этому времени наша команда уже считала себя достаточно продвинутыми специалистами в области инноваций в неврологии, нейрохирургии, психиатрии и нейрорегенеративной медицине, т.к. уже почти 30 лет активно и, на наш взгляд, успешно занималась нейрореставрацией поврежденного мозга человека.
С 1991 г. основной научной базой отечественной нейроинженерии была созданная в ГУ НМИЦ трансплантологииНМИЦ ТиО Минздрава России Группа высоких медицинских технологий (руководитель проф. А. С. Брюховецкий), а с 2002 г. и последние 19 лет научно-исследовательским центром этих исследований стала небольшая частная московская неврологическая клиника «НейроВита», узко специализирующаяся на нейрореставрации поврежденной нервной ткани головного и спинного мозга у человека. Однако все эти годы мы постоянно задавали себе один и тот же вопрос: есть ли у нас морально-этические основания и право заниматься нейроинженерией человека и учить других людей клинической нейроинженерии? Ведь никто из специалистов нашей группы не имеет специального технического нейроинженерного образования, т.к. не заканчивал высшего учебного заведения по нейроинженерной специальности и не учился на специализированном факультете зарубежного медицинского университета на специалиста-нейроинженера. А ведь сегодня в ряде ведущих университетов США по этой специальности выпускают профессионалов и специалистов. Сегодня этих высокообразованных специалистов как горячие пирожки разбирают лучшие нейроинженерные центры и университеты мира. И это действительно так!
Все специалисты нашей отечественной нейроинженерной группы пришли в эту специальность из разных медицинских и технических специальностей: врачи-неврологи и психиатры, нейрохирурги, нейрофизиологи, инженеры-программисты, математики, нейроматематики, биологи, биофизики. Но мы пришли в нее стихийно, точнее мы ее сами создавали, как могли и как понимали. Однако несмотря ни на что наша группа уже более 30 лет занимается этой нейронаукой. Мы не считаем себя ведущими специалистами в мире в этой инновационной области медицины и даже никогда не называем себя громким словом «нейроинженеры». При этом за это время наша научная группа выпустила в свет 200 научных статей и 12 научных монографий по специфичной тематике реставрации и реконструкции головного и спинного мозга человека у почти 17 тыс. пациентов из 50 стран мира с органическим поражением центральной нервной системы (ЦНС). В декабре 2018 г. вышло в свет наше двухтомное руководство для врачей «Стволовые клетки и технологии регенеративной медицины в лечении нервных болезней». Нашей командой было написано более двух десятков патентов на изобретение РФ в области нейроинженерии (нейротрансплантации, тканевой инженерии мозга, малоинвазивной биоинженерии мозга, ремоделирования сосудов головного мозга и т.д.) и даже были получены патент США на нейропротезную систему для тканевой инженерии мозга и патент РФ на технологию дистанционной мультиволновой радионейроинженерии. Наши специалисты кооперируются с учеными всего мира, активно занимающимися клинической нейроинженерией. Они участвовали и до настоящего времени продолжают участвовать в изучении проблемы взаимодействия «мозг – компьютер» (нейроинтерфейса), применении гиперзвука в реставрации поврежденного головного мозга и т. д.
Нашими партнерами по разработке проблем нейроинженерии многие годы были математики, физики, радиоинженеры, молекулярные и клеточные биологи и биохимики. Мы долгое время работали с группой инженеров-программистов Вычислительного центра Главного штаба Военно-морского флота России под руководством капитана I ранга, к.т. н. Д.Г. Иконникова; Центра нейрокомпьютерных исследований, руководимого профессором математики д.ф.-м. н. А.И. Галушкиным. Однако при всем этом специалисты нашей группы чувствовали себя не очень уверенно, произнося термин «нейроинженерия», и даже определенно комплексовали по этому поводу. Ведь когда об инженерии пытается говорить врач-невролог, или врач-психиатр, или вообще биолог, то это воспринимается с большой долей настороженности и сомнения. Где инженерия, а где эти гуманитарии? Но еще больше сомнений возникает тогда, когда о нейроинженерии говорит нейрохирург. В его устах это тоже не очень похоже на традиционную инженерную дисциплину, а больше на реконструктивную микрохирургическую операцию на мозге. Когда о нейроинженерии говорит математик-программист, то все понимают это как элементы рекламы или как пазлы по созданию нового нейрокомпьютера или нейросетевых алгоритмов. Многолетнее сотрудничество нашей группы с профессором математики А. И. Галушкиным, ведущим нейрокомпьютерщиком нашей страны и признанным мировым авторитетом в области нейроматематики и нейрокомпьютерной техники, дало определенный крен наших исследований в область теоретических научных изысканий. Очевидно, что нейроинженерия должна быть очень точной и математически выверенной наукой. Известно, что медицинская наука по точности – а уж неврология и психиатрия так и подавно – вторая после богословия! А тут не просто высокотехнологичная биоинженерия, а нейроинженерия!
Вначале авторов и наш небольшой научный коллектив, приступивший к написанию этой книги, терзали смутные сомнения: правильно ли мы делаем, что беремся за написание научной работы по этой тематике, и сможем ли мы правильно донести свои соображения и представления об этой нейронауке? Однако, посмотрев основные фундаментальные научные публикации и монографии по современной нейроинженерии, мы пришли к заключению, что мы, в отличие от большинства исследователей в мире, вообще по-разному понимаем научный термин «нейроинженерия» и думаем о настоящем и будущем этой нейронауки и нейротехнологий явно в разных направлениях. Поэтому в этой книге будут изложены наши личные научные представления о нейроинженерии вообще и нейротехнологиях в частности.
Мы достаточно традиционно составили оглавление этой книги. В первой главе мы решили обсудить основные аспекты терминологии и определения понятийного аппарата в сфере нейроинженерии и нейротехнологий. Попытаемся дать в ней свое определение основных понятий нейроинженерии и нейротехнологий. Эта глава посвящена больше теоретическим аспектам излагаемой проблемы, а также созданию у читателей реального представления об этой новой области нейронауки. В этой главе мы попытались изложить основные теоретические и методологические платформы нейроинженерии и основные направления научного развития этой новой области медицины.
Вторая глава книги посвящена обобщению существующих в мире современных нейротехнологий, попытке их ранжирования по основным системообразующим признакам. В ней мы попытались представить всю многогранную палитру мировых нейроинженерных изысканий и достижений ученых и показать свое частное отношение к большинству из них. Нет, в этой главе мы не ставили задачу осуждать и критиковать другие научные коллективы нейроученых, но попытались вместе понять, насколько представленные миру факты о прорывах в нейроинженерии действительно отражают мировой научный прогресс – или это только фейковые новости из мира науки, за которыми ничего нет или мы этого просто не смогли увидеть. На наш взгляд, она получилась достаточно громоздкой и зачастую дублирующей уже известный материал. Но это было сделано умышленно, чтобы показать читателю, что большинство нейротехнологий – это вариации на тему нейрореставрации мозга и разработки и создания реально существующего нейроинтерфейса.
В третьей главе монографии были кратко изложены основные положения авторской теории информационно-коммутационного устройства головного мозга человека проф. А. С. Брюховецкого как нового научно-методологического подхода к современной нейроинженерии. Мы считаем, что именно новая теория инновационного понимания информационно-коммутационного устройства головного мозга человека, постулирующая информационные принципы его функционирования, позволяет увидеть перспективы развития и совершенствования этого нового сектора высокотехнологичной медицины.
Четвертая глава книги посвящена описанию нашего открытия микроволновой биоэлектрической активности (БЭА) головного мозга человека и разработке и обсуждению перспектив создания нейроинженерных микроволновых технологий диагностики его патологии. Открытие микроволновой БЭА мозга стало возможно исключительно на основе новой теории устройства мозга человека. Мы убеждены, что четкое понимание нейромикроволновых технологий этой инновационной нейронауки основанных на новых научно-теоретических информационно-коммутационных представлениях позволит с новых научно-методологических позиций решать проблемы теоретической и практической нейроинженерии. В ней мы представляем полученные объективные экспериментальные доказательства установленных научных фактов нашей научной теории. Мы подтверждаем в эксперименте научное предположение о том, что кора головного мозга не умеет «думать», а «нейропроцессором» в голове человека является не столько кора головного мозга, как общепризнанно в мире, сколько межоболочечное ликворное пространство, где коммутация электромагнитных сигналов от различных отделов мозга человека осуществляется вне нервной ткани головного мозга (ГМ) на уровне электромагнитных волн (ЭМВ), излучаемых корой ГМ, и их суперпозиций сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Мы приводим доказательства регистрации этих ЭМВ СВЧ-диапазона в ликворном пространстве и показываем на научных фактах и на наших исследованиях, что мысль и сознание человека материальны и могут быть оцифрованы и зарегистрированы высокочувствительным современным антенным СВЧ-оборудованием экспертного класса.
В пятой главе этой книги описаны подходы к разработке и созданию микроволновой энцефалографии головного мозга. Это совсем новое направление в нейроинженерии и нейротехнологиях, где мы впервые демонстрируем достигнутые нами собственные уникальные достижения и возможность зарегистрировать микроволновые биопотенциалы электрической активности головного мозга в диапазоне от 1 до 4,5 ГГц. Предложенная нами нейротехнология в миллиард раз (10
) отличается об современных аппаратных средств для регистрации биоэлектрической активности ГМ. Эта глава написана совместно с инженером-математиком и радиоинженером Леонидом Игоревичем Брусиловским. Без его настойчивости и энтузиазма это направление нейроинженерии вряд ли бы имело шанс на существование. Поэтому авторы выражают ему искреннюю признательность за проведенную совместную работу и соавторство в этой главе.
В шестой главе книги обсуждаются технологии реставрации поврежденного головного и спинного мозга человека путем применения технологий регенеративной медицины различными клеточными системами. В ней будут представлены основные интервенционные нейробиоинженерные технологии и технологии тканевой инженерии в реконструкции нервной ткани головного и спинного мозга.
В седьмой главе книги мы решили обсудить нашу авторскую запатентованную нейротехнологию под названием «дистанционная мультиволновая бесконтактная радионейроинженерия». Эта инновационная технология нейроинженерии нами была разработана как способ отрицания большой нейрохирургии в реконструкции мозга. Как мы уже отмечали ранее, по решению Роспатента эта нейротехнология вошла в число 100 лучших изобретений в России в 2017 г. Это большая честь для нас, и мы очень гордимся тем, что она была замечена ведущими отечественными патентоведами и экспертами по патентному праву и удостоена столь престижного диплома. Это позволяет нам надеяться, что она найдет своего потребителя в клинике в ближайшее время.
В восьмой главе мы поговорим о том, как лично мы видим ближайшее будущее нейроинженерии, а точнее о разработке и создании новаторской технологии гиперзвуковой нейроинженерии ГМ и устройствах для ее реализации в клинике, созданных на базе современных МРТ-аппаратов. Что касается практической реализации идеологии гиперзвуковой нейроинженерии, то она находится в самом начале большого пути, т.е. тогда, когда уже почти полностью выкристаллизовалась основная научная идея этого научного подхода к реставрации тканей и органов, но есть технологические трудности создания аппаратных средств этого направления нейроисследований. Правильнее было бы сказать, что мы попытались очертить новое и очень перспективное, на наш взгляд, направление в современной нейронауке и показать одно из интереснейших новых направлений развития мировой научной нейроинженерной мысли.
Публикуя свои соображения на этот счет, мы прекрасно осознаем, что разработка и создание новых гиперзвуковых аппаратных комплексов, работающих под контролем МРТ, для этого инновационного направления нейроинженерии – путь к биотехнологическому прорыву в современных методах биоинженерии органов и тканей человека и животных. Очевидно, что разработка и создание подобных проектов – это преимущественно прерогатива крупных государственных «технологических долин», имеющих колоссальные финансовые ресурсы и неограниченные возможности кооперации ученых и профессионалов самых разных специальностей из разных стран мира в определенной области знаний. В маленькой частной клинике добиться нужного результата можно, но на это уйдут многие годы и колоссальные средства, которые вряд ли окупятся созданным нейроинженерным продуктом. Подобный нейроинженерный проект по уровню финансирования, по наукоемкости и ценности полученных результатов для человечества равнозначен аналогичным параметрам космического полета на Марс или на Луну. Но мы не привыкли тратить на медицину и изучение человека такие большие средства и ресурсы. Это же не освоение космоса!
Создание гиперзвуковой биоинженерии под контролем МРТ может стать следующим шагом научного прогресса в неврологии, психиатрии и нейроонкологии и вообще во всем мировом здравоохранении. Иллюстрацией подобного подхода могут служить уже существующие нейротехнологии фокусированного ультразвука (ФУЗ). Осуществление научного прорыва в неврологии и нейроонкологии посредством ФУЗ под контролем МРТ позволило производить высокотехнологичные точечные стереотаксические операции на структурах мозга человека при болезни Паркинсона и спастическом параличе. ФУЗ обеспечил применение уникального инструментария дистанционного электромагнитного воздействия ФУЗ путем создания локальных микроишемий в патологических зонах в ГМ и СМ человека. Главное отличие предлагаемого гиперзвукового воздействия на нервную ткань ГМ или ткань других органов заключается в том, что оно не повреждает тканевую и сетевую структуру ЦНС или тканевую структуру солидного органа. От ФУЗ-воздействия под контролем МРТ в нервной ткани остаются локальные очаги некроза и ишемии, а применение гиперзвукового воздействия не разрушает структуру нервной ткани, изменяя фенотипические и молекулярно-биологические характеристики клеток, входящих в нее.
Девятая глава книги была целенаправленно посвящена проблеме нейроинтерфейса, освещению существующих проблем и поиску путей ее решения. Мы в ней больше теоретизируем о возможности создания инвазивных и неинвазивных нейроинтефейсов и предлагаем свои пути решения данной проблемы. С ними можно соглашаться, не соглашаться или отрицать их полностью, но это наш взгляд на проблему, и мы его изложили для критики и обсуждения.
В десятой главе книги мы решили поразмышлять по поводу сложнейшей нейроинженерной проблемы, связанной с созданием современного природоподобного вычислительного суперкомпьютера. Мы демонстрируем свою альтернативную точку зрения на эту мировую проблему: почему надо отказаться от создания нейроморфного супервычислителя на базе нейрокомпьтерных сетей, а отдать предпочтение новейшей методологии разработки и создания капитумморфного (от лат. capitum – голова; подобного голове) суперкомпьютера, т.е. супервычислителя, копирующего не принципы устройства нервной ткани головного мозга человека, а информационные принципы устройства головы человека, млекопитающих и птиц. В ней мы также обсуждаем возможные нейротехнологии в разработке и создании этого принципиально нового поколения вычислительной техники и суперкомпьютеров.
В заключении мы обобщили все наши собственные наработки в области нейроинженерии и нейротехнологий и представили основные перспективные направления развития этого важного аспекта нейроинженерии.
Создание этой книги было бы невозможным без помощи большого научного и практического коллектива математиков и физиков, увлеченно занимающихся проблемами нейроинженерии, возглавляемого Леонидом Игоревичем Брусиловским, ставшим соавтором двух глав этой книги и генератором новых идей по реализации новых нейроинженерных подходов; также без сотрудников клиники «НейроВита» клиническая часть нейроинженерных работ была бы просто невозможна.
По всем вопросам, возникшим при прочтении этой книги, просим направлять корреспонденцию по адресу: neurovita-as@mail.ru.
?
Авторы
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 (http://dx.doi.org/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 (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.
