Самообучающаяся система для протезирования спинного мозга разработана в России

Схема, основанная на специальных микроэлектронных компонентах мемристорах, смоделирована российскими учеными из Курчатовского института и Казанского федерального университета. Протезы, которые будут созданы на ее основе, смогут заменить поврежденные участки спинного мозга и вернут парализованным людям возможность двигаться. О разработке сообщает Курчатовский институт.

Уникальность мемристоров, использованных в этой схеме, в том, что они могут имитировать нейронные связи. И в итоге сигнал сквозь них проходит примерно так же, как через синапс — контакт между настоящими нейронами.

Разные типы сигналов передаются через синапс от одной клетки к другой с разной эффективностью. Соответственно, особенным образом от мозга к конечностям передаются и команды для выполнения движений.

Естественная нейронная активность, регулирующая эти движения, была известна. И ее, как модельную систему сигналов, взяли для разработки схемы работы мемристоров в качестве нейропротеза. Затем ученые разорвали синаптическую связь, разделив моделируемые нейроны и имитировав таким образом повреждение спинного мозга.

И вот здесь началось самое сложное: мемристоры нужно было не просто «прикрепить» внутрь нейронной сети, но и настроить, чтобы они проводили сигналы с той же пропускной способностью, как нервные клетки. Просто запрограммировать систему на определенные сигналы, как оказалось, не выход.

Электрохимические мемристоры на основе проводящего полимера полианилина, над которыми работают в Курчатовском институте, изменяют свое сопротивление в зависимости от величины прошедшего через них ионного заряда. И делают это с той скоростью, которая соответствует характерным параметрам частоты и длительности сигналов от биологических нейронов.

Чтобы организовать самообучение системы и добиться от нее оптимальной проводимости, ученые использовали два способа регуляции: ориентирование на внутренние сенсорные сигналы от условной конечности и корректировку с помощью внешней электростимуляции. В итоге система смогла сама регулировать сопротивление, необходимое на конкретном участке нейронной сети, без внешнего контроля.

«В процессе «обучения» ученым удалось добиться от мемристоров проводимости, обеспечивающей естественную передачу сигнала так, будто между группами нейронов не было разрыва. В будущем на основе такого же принципа можно будет создать адаптивный нейропротез с мемристивными синапсами, который возьмет на себя роль поврежденного участка спинного мозга», — подчеркнули в институте.

Такой протез предполагается устанавливать на спинной мозг. Он будет регулироваться таким же образом, как моделируемый: получать сигналы внешней стимуляции и динамическую обратную сенсорную связь от неповрежденных конечностей. С учетом этих откликов устройство будет способно самонастраиваться и адаптироваться под конкретные моторные навыки пациента.

«Самообучаемые мемристивные устройства помогут вернуть людям с повреждением спинного мозга естественную двигательную активность. При этом вполне возможно, что нейронный протез позволит не только восстановить моторные навыки, но и приобрести новые (например, не просто снова начать ходить, но и научиться танцевать)», — добавляется в сообщении.