Atklājumi.lv

Saslēdzot žurku smadzenes tiešsaistē, zinātnieki izveido pirmo 'bioloģisko datoru'

Amerikāņu neirobiologiem, par kuru sasniegumiem jauna veida smadzeņu neiroprotēžu izstrādē mēs jau nesen rakstījām, izdevies izdarīt to, par ko iepriekš varēja lasīt tikai zinātniskās fantastikas darbos - saslēgt kopā vienā funkcionālā sistēmā divu dzīvu būtņu smadzenes. Eksperimentā, kas aprakstīts žurnāla "Scientific Reports" februāra numurā, divas, atsevišķos būros ievietotas žurkas ar smadzeņu garozā implantētiem mikrosensoriem spēja sekmīgi koordinēt vienkāršas darbības.

Pētījumu vadītājs Migels Nikolelis š.g.17.februārī, Amerikāņu zinātnes veicināšanas biedrības (žurnāla "Science" izdevējs) gadskārtējā sanāksmē Bostonā, ziņojot par infrasarkanās gaismas sensora sekmīgu saslēgšanu ar taustes sajūtu sniegto informāciju apstrādājošo žurkas smadzeņu reģionu, teica, ka šis sasniegums ir tikai prelūdija lielam, "neviena necerētam" izrāvienam "smadzeņu-smadzeņu saziņas" jomā, par ko tiks ziņots jau nākošajā mēnesī sagaidāmā publikācijā. Solītais raksts nāca klajā gan jau februāra pēdējā dienā, taču tajā aprakstīto pētījumu, bez mazākajām šaubām patiešām var nosaukt par revolucionāru izrāvienu.

Gan pētījuma autori, gan citi zinātnieki jau iepriekš bija izstrādājuši tehnoloģijas, ar kurām, izmantojot smadzenēs implantētus sensorus, no garozas neironiem varēja iegūt lineāri vai nelineāri dekodējamus signālus, kas ziņoja par specifiskiem motoriskajiem un sensorajiem parametriem. Attīstot šīs iestrādes, viņi uzbūvēja vairākas iekārtas, kas paralizētiem cilvēkiem ļāva ar domu spēku vadīt datora kursoru, paverot viņiem iespējas sazināties pa e-pastu, spēlēt spēles, lasīt grāmatas, sintezēt tekstu balss formātā, utt. Tāpat, nosūtot uz smadzenēm atbilstošus, iepriekš ierakstītus signālus, bija izdevies elektroniski vadīt eksperimentālos dzīvniekus, liekot tiem izdarīt vienkāršas kustības. Šobrīd programmas "Walk Again Project" ietvaros izmēģinājuma stadijā atrodas elektroniska, 20 gadīgai jaunietei paredzēta rokas protēze, kas ne tikai darbosies, saņemot komandas tieši no smadzenēm, bet informāciju par taustes sajūtām spēs sūtīt arī atpakaļ.

Attīstoties neiroloģijai, neirofizioloģijai un kibernētikai, cilvēka - mašīnas saskarsne šobrīd ir sasniegusi zināmu brieduma līmeni un, pašsaprotami, izvirzās nākošais mērķis - cilvēka saziņa ar citiem cilvēkiem, izmantojot tiešo smadzeņu saslēgumu. Tāpēc, lai noskaidrotu vai iespējama jēgpilna, noteiktā rīcībā īstenojošās signālu apmaiņa ne tikai starp viena organisma smadzenēm un mašīnu, bet starp diviem un potenciāli vairāk organismiem Nikoleļa komanda veica trīs eksperimentu sēriju ar laboratorijas žurkām.

Eksperimentos piedalījās pa pāriem darbojošies dzīvnieki, kuru smadzeņu garozas S1 (primārais somatosensorais reģions) un M1 (primārais motoriskais reģions) apgabalā bija implantētas mikroelektrodu kopnes, kas spēja gan nosūtīt, gan saņemt smadzeņu ģenerētos elektriskos impulsus. Katrs no eksperimentiem bija ieplānots savādāk, - tā, lai pārbaudītu, kā tiek nosūtīti dažāda veida telpiskie un sensorie signāli. Viena žurka bija "šifrētāja" - viņas darbību laikā radušies smadzeņu signāli tika uztverti un pa kabeļiem pārvadīti otrai žurkai, kurai smadzeņu garozas mikrostimulācijā saņemto informāciju vajadzēja "atšifrēt", pareizi izpildot vajadzīgo uzdevumu. Informācijas pārvade no viena dzīvnieka smadzenēm uz otrām notika, izmantojot ierakstošo iekārtu, kurā signālus digitalizēja un pārsūtīja tālāk uz pastiprinātāju, no kurienes tie 250 un 400 Hz frekvencē nonāca "atšifrētājas" implantā.

Pirms eksperimentu uzsākšanas žurkas tika apmācītas paredzētā uzdevuma veikšanai. "Šifrēšanai" izvēlējās žurkas, kuras vismaz 95% gadījumu, reaģējot uz taustes vai vizuālajiem stimuliem, izdarīja pareizo izvēli, nospiežot attiecīgo taustiņu vai iebāžot degunu atbilstošajā caurumā. Savukārt žurkas "atšifrētājas", uz to implantiem nosūtot iepriekš ierakstītus signālus, apmācīja šos impulsus pareizi atpazīt. Eksperimentos izmantoja "atšifrētājas", kas apmācībā bija sasniegušas vidēji 78% precizitātes līmeni. Pārbaudes eksperimentā, kad žurkām "atšifrētājām" atvienoja kabeli, to rezultāti vairs nepārsniedza nejaušas izvēles līmeni.

Pirmajā eksperimentā "šifrējošajām" žurkām bija jānospiež viens no diviem būra gala sienā novietotiem taustiņiem, izvēloties to, virs kura iedegās LED lampiņa. Pēc pareizas izvēles žurka, kura iepriekš bija turēta slāpēs, kā atlīdzību saņēma nelielu ūdens devu. Žurkai "šifrētājai" nospiežot taustiņu labajā vai kreisajā pusē, viņas neirālā aktivitāte M1 tiešsaistē tika pārsūtīta otrai žurkai, kurai vajadzēja atkārtot pirmās izvēli. "Atšifrētājas" 60 - 72% gadījumu (vidēji 62,34%) veiksmīgi noteica pareizo taustiņu, sasniedzot līmeni, kas krietni pārsniedza iepriekš konstatētos nejaušas izvēles rādītājus.

Vienlaikus žurka "šifrētāja" no "atšifrētājas" smadzenēm saņēma atgriezeniskās saites signālu un, ja "atšifrētāja" bija izdarījusi pareizo izvēli, "šifrētāja" ieguva papildu ūdens devu. Zinātnieki konstatēja, ka gadījumos, kad "atšifrētāja" kļūdījās, "šifrētājas" signāla intensitāte pieauga, tādējādi liecinot par abu žurku sadarbību labāku rezultātu panākšanai.

Otrajā eksperimentā tika pārbaudīts vai reālā laika smadzeņu - smadzeņu saskarsnē viena žurka var nodot otrai taustes sajūtu informāciju. "Šifrētājas" bija apmācītas, izmantojot savas ūsas, atšķirt būra iekšējās telpas vidū novietotas ejas izmērus. "Šifrētājai" bija jāiziet cauri ejai un ar degunu jāpiespiež tai tieši pretī būra sienā iebūvēta poga. Šis spiediens atvēra divas atalgojuma atveres būra ārējā telpā. Ja ejas izmērs bija "šaurs", žurkai vajadzēja iebāzt degunu caurumā pa kreisi, bet, ja "plats" - pa labi. Pareizi izvēloties caurumu, žurka varēja izdzert nelielo ūdens devu, kas atradās trauciņā. Nepareizas izvēles gadījumā turpretī abi caurumi tūlīt aizvērās. "Atšifrētājai", savukārt, lai varētu padzerties, vajadzēja izvēlēties pareizo pusi tikai vadoties pēc signāla, ko tā saņēma no "šifrētājas" brīdī, kad tā mērīja atveres diametru. Arī šajā eksperimentā "šifrētāja" saņēma papildu ūdens devu, kad "atšifrētājai" izdevās izdarīt pareizo izvēli. Rezultāti bija pārliecinoši, lai arī nedaudz vājāki nekā pirmajā eksperimentā, "šifrētājām" uzdevumu pareizi izpildot aptuveni 96%, bet atšifrētājām 62% gadījumu.

Lielu žurnālistu interesi izraisījis pētnieku trešais eksperiments, kas faktiski bija tas pats otrais eksperiments, tikai žurkas, kurām vajadzēja noteikt atveres izmēru, katra atradās savā Amerikas daļā - viena ASV, otra - Brazīlijā, smadzeņu signāli tika pārsūtīti, izmantojot tīmekli. Neskatoties uz krietni ilgāku kavēšanos starp "šifrētājas" un "atšifrētājas" darbībām, arī lielā attālumā pārvadot informāciju, žurkas uzrādīja gandrīz vienādus rezultātus (62,25% pareizu "atšifrējumu") kā tad, kad to būri atradās blakus un signāls tika saņemts momentāli. Šis eksperiments pierādīja, ka ir iespējams izveidot darboties spējīgu smadzeņu tīklu, savienojot dažādās vietās esošus dzīvniekus.

Pirmais bioloģiskais dators

Par svarīgāko pētījuma rezultātu zinātnieki uzskata pierādījumus abu, kopā saslēgto dzīvnieku sadarbībai, apmainoties ar smadzeņu signāliem abpusēja izdevīguma panākšanai. Dzīvnieku smadzenes apmainījās ar informāciju, saglabāja to un apstrādāja, faktiski izveidojot pirmo bioloģisko datoru, pētījuma dalībnieki konstatē.

Nikolelis uzskata, ka šādas smadzeņu-smadzeņu savienojuma tehnoloģijas, tās pilnveidojot, nākotnē varētu praktiski izmantot, piemēram, triekas, Parkinsona slimības vai citu, ar motorisko funkciju traucējumiem sirgstošo slimnieku rehabilitācijā. Ne mazāk plašs pielietojums tehnoloģijai varētu būt arī kosmosa apguvē, glābšanas darbos un, protams, militārajā jomā.

Zinātnieks cer, ka turpmāk izdosies sekmīgi pārvadīt arī citus, sarežģītākām smadzeņu darbībām atbilstošus signālus. "Šobrīd mēs strādājam ar pērtiķiem," - viņš stāsta, "kuri tiek apmācīti pa pāriem kontrolēt ar datoru radītus avatārus." "Viņi satiksies virtuālajā vidē un mācīsies kopā spēlēt spēli. Lai to pabeigtu, viņiem vajadzēs, izmantojot tikai smadzeņu-smadzeņu saskarsni, dalīties informācijā par noteikumiem." Šādu eksperimentu veikšanai ir nepieciešama liela kapacitāte. Ja šobrīd Nikoleļa laboratorijā iespējams vienlaikus ierakstīt elektriskos signālus no gandrīz 2000 smadzeņu šūnām, tad nākošo piecu gadu laikā viņi plāno sasniegt 10 līdz 30 tūkstošu šūnu līmeni.

Nikolelis domā vēl tālāk. Savā nesen iznākušajā grāmatā "Beyound Boundaries" viņš izvirza ideju par smadzeņu tīklu, kur atsevišķi, kopā saslēgti indivīdi kļūst par sava veida bioloģisko datoru, kas, kolektīvi risinot problēmas, darbosies izmantojot heiristisko metodi. "Mēs nevaram paredzēt, kādas īpašības parādīsies, kad dzīvnieki sāks savstarpēji iedarboties smadzeņu tīkla ietvaros. Teorētiski smadzeņu kombinācija varētu dot risinājumus, līdz kuriem atsevišķās smadzenes nespēj nonākt," viņš stāstīja pēc aplūkojamā raksta publicēšanas. "Šāda saikne, iespējams, var pat nozīmēt, ka viens dzīvnieks - un potenciāli arī cilvēks - iekļaus sevī otra indivīda "es" izjūtu," Nikolelis spriež.

Zinātnieks ir pārliecināts, ka cilvēku smadzeņu tīkli būs daļa no nākotnes ikdienas. Taču šis brīdis viņaprāt nepienāks vēl ne rīt, ne parīt. Vai ejot šo ceļu mēs kādreiz nekļūsim līdzīgi borgiem - kolektīvajam "spieta" saprātam un to pārvaldošajām "karalienes" smadzenēm pieslēgto kibernētisko organismu rasei no fantastikas sāgas "Zvaigžņu ceļš", to, kā zināms, rādīs laiks.

Video

Avots:

Miguel Pais-Vieira, Mikhail Lebedev, Carolina Kunicki, Jing Wang, Miguel A. L. Nicolelis. A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information. Scientific Reports, 2013; 3 DOI: 10.1038/srep01319