Прорыв в нейротехнологиях: ультразвуковой интерфейс мозг-компьютер открывает новые горизонты

2023 год ознаменовался важными достижениями в области технологии интерфейса мозг-компьютер (BCI). Компании-разработчики Neuralink, Paradromics и Synchron достигли ключевых этапов клинических испытаний, приближая внедрение полностью имплантируемых BCI к клинической практике в США. Эти компании разрабатывают BCI, взаимодействующие с мозгом посредством электрических сигналов, но недавно объявлено о сотрудничестве в области исследований, направленном на создание BCI, использующего ультразвук.

В октябре компании Forest Neurotech и Butterfly Network объявили о совместных исследованиях стоимостью 20 миллионов долларов США для разработки ультразвукового интерфейса мозг-компьютер. Forest Neurotech будет использовать компактную технологию ультразвука на чипе от Butterfly Network для разработки минимально инвазивного ультразвукового BCI устройства для академических и исследовательских целей.

Традиционные системы BCI измеряют мозговую активность, считывая электрические сигналы и иногда стимулируя мозг электрически. Устройство от Forest будет использовать высокочастотные звуковые волны для взаимодействия с мозгом. Направленные ультразвуковые волны могут изменять потенциал действия нейронов, а также оценивать нейронную активность в областях мозга, измеряя локальные изменения кровотока посредством эффекта Доплера. Этот метод известен как функциональная ультразвуковая визуализация. (fUSI, Functional ultrasound imaging).

Технический директор Forest Neurotech Уильям Бидерман заявил, что технология Butterfly позволит его команде создать BCI, который, будучи имплантированным в череп пользователя, будет использовать ультразвук для стимуляции и записи мозговой деятельности с точностью до субмиллиметра.

Почему ультразвук в BCI?

Преимущества ультразвукового BCI заключаются в возможности целенаправленного воздействия на конкретные области мозга без необходимости инвазивных хирургических вмешательств, которые требуются для электрической стимуляции глубоких областей мозга. Кроме того, ультразвуковая технология Butterfly позволяет разместить аппаратуру для генерации, направления и записи звука на одном чипе.

Техника fUSI, используемая в ультразвуковом BCI, оценивает изменения в нейронной активности, измеряя кровоток. Повышение нейронной активности требует увеличения кровотока, что и измеряется с помощью ультразвука. Как отмечает Михаил Шапиро, советник Forest Neurotech и профессор Калифорнийского технологического института, этот метод работает значительно лучше, чем ожидалось при его первоначальном предложении.

Ультразвук может как записывать, так и контролировать нейронную активность. Хотя механизмы воздействия ультразвука на нейроны до конца не изучены, эксперименты показали, что высокочастотные звуковые волны могут активировать определенные кальциевые ионные каналы в мозге.

Для стимуляции и записи с помощью своего BCI, система Forest потребует имплантации нескольких ультразвуковых чипов Butterfly в череп пользователя. Несмотря на эффективность ультразвуковой стимуляции через кость, техника fUSI не работает через череп, поэтому трансдьюсеры будут встроены непосредственно в череп.

Сотрудничество между Forest и Butterfly является частью более широкой программы "Butterfly Gardens" от Butterfly Network, направленной на предоставление своих технологий медицинским командам. Forest Neurotech, входящая в некоммерческую группу Convergent Research, сосредоточена на технологической разработке, а не на создании и маркетинге клинического устройства. Бидерман уточнил, что в рамках деятельности их некоммерческой исследовательской организации они не планируют подавать заявку в FDA, а стремятся способствовать фундаментальным научным открытиям и использованию этой технологии. По мере развития технологии компания планирует предоставить её другим исследовательским организациям в академической сфере и промышленности для дальнейшей разработки продукта и научных исследований.