Киберэмбрионы: нейроимплант услышал первый шёпот разума — прямо внутри мозга зародыша

Американские учёные разработали мягкие электронные устройства, которые можно внедрять в мозг на самых ранних этапах его формирования. Технологию опробовали на эмбрионах лягушек, аксолотлей и мышей — в каждом случае имплант успешно встраивался в развивающуюся ткань и продолжал точно регистрировать активность нейронов. Такой способ позволяет следить за тем, как формируется нервная система, не нарушая при этом естественного хода развития. Получившиеся организмы, сочетающие живую биологию и встроенную электронику, исследователи назвали киберэмбрионами.

Главная цель проекта — дать возможность наблюдать, как из однородного слоя клеток постепенно возникает сложнейшая вычислительная структура. По словам руководителя исследования, доцента кафедры биоинженерии Гарвардского университета Цзя Лю , большинство современных нейротехнологий разрабатывалось с учётом анатомии взрослого мозга. При этом детская нейрофизиология остаётся малоизученной, а процессы, происходящие до рождения, вовсе практически недоступны для наблюдения.

Ранее доступные методы, такие как функциональная МРТ, позволяют фиксировать работу мозга целиком, но дают слишком грубое разрешение как по времени, так и в пространстве. Имплантируемые электроды , наоборот, обеспечивают высокую детализацию, но со временем теряют точность из-за стремительных изменений, происходящих в эмбриональных структурах. Ни один из этих подходов не способен обеспечить длительное и стабильное наблюдение с точностью до отдельных клеток и с разрешением в миллисекунды.

Лю и его команда приступили к решению этой проблемы ещё в 2015 году, начав с разработки ультратонких, гибких нейропротезов. Тогда учёные задумались: смогут ли деликатные материалы адаптироваться к быстро меняющейся морфологии развивающегося мозга? Однако даже при всей мягкости, любые попытки ввести электроды внутрь формирующихся трёхмерных структур приводили к повреждениям и нарушению развития.

Прорыв произошёл, когда момент имплантации сместили на более раннюю фазу — в период, когда нервная ткань ещё представляет собой плоский слой стволовых клеток. Сетчатая электроника вживляется именно на этом этапе, а затем, по мере того как клетки начинают формировать объёмную структуру, массивы сгибаются вместе с ними, равномерно распределяясь по всему мозгу. Электроды, по сути, становятся частью формирующейся нервной системы, не нарушая её развития.

Первоначальные версии гибких систем, несмотря на заявленную эластичность, оказались слишком жёсткими. При имплантации они разрывали ткани и мешали нормальному росту. Учёным пришлось перейти на материалы нового класса — фторированные эластомеры. Эти сверхмягкие полимеры способны растягиваться и изгибаться вместе с окружающими структурами, не теряя своих свойств. Получившаяся электронная сетка имеет толщину менее одного микрона, что делает её практически незаметной для растущих тканей.

Во время наблюдений за развитием мозга у эмбрионов лягушек и саламандр ученые смогли непрерывно регистрировать электрическую активность нейронов с высокой точностью — как по времени, так и по охвату: измерения проводились с миллисекундным разрешением и охватывали всю структуру мозга. Чтобы убедиться, что устройства не мешают нормальному развитию, команда провела генетические и поведенческие проверки. В тканях не обнаружили признаков воспаления или отклонений в экспрессии стрессовых генов. А в поведенческих тестах, например при моделировании столкновений с движущимися объектами, головастики с вживлённой электроникой реагировали так же, как обычные особи, без признаков дезориентации или замедленной реакции.

На ранних этапах мозговая активность носила характер медленных, синхронных колебаний, охватывающих все области. Но по мере развития зародыша активность становилась более локализованной и быстрой. В дальнейшем формировались устойчивые сигнальные паттерны, характерные для отдельных групп клеток. Это наблюдение позволило лучше понять, как в процессе роста формируются специализированные участки мозга и как развивается их координация.

Параллельно проводили имплантацию на мышиных эмбрионах и новорождённых крысах, чтобы проверить применимость технологии к млекопитающим. Предварительные результаты подтвердили возможность регистрации нейронной активности и в этих случаях, хотя дальнейшие тесты ещё предстоят.

Особый интерес вызвали наблюдения за аксолотлями — земноводными, способными отращивать утраченные части тела, включая элементы мозга. В одном из опытов у молодых особей удаляли хвост, после чего встроенные сенсоры фиксировали изменения в электрической активности в период заживления. Оказалось, что в этот момент в голове возникали всплески сигналов, очень похожие на те, что наблюдаются в самом начале развития. Это навело исследователей на мысль: процессы регенерации могут запускать те же нейронные механизмы, которые включаются при формировании тканей у эмбрионов.

В то же время учёные подчёркивают: применение подобных имплантов у человеческих эмбрионов абсолютно недопустимо с этической точки зрения. Однако сама технология может найти применение в детской медицине — например, в исследованиях или лечении нейропатологий у младенцев.