В России разработана схема устройства, способного помочь людям с повреждением спинного мозга. Учёные из Курчатовского института уверены, что их разработка позволит заново научиться ходить.
В основе устройства – мемристоры (memory + resistor) – микроэлектронные компоненты, способные «запоминать» предыдущие воздействия. Сопротивление таких микроэлектронных устройств зависит от величины прошедшего через них заряда.
Имплант возьмет на себя функции соединения между поврежденными нейронными структурами, генерирующими последовательность импульсов для каждого шага.
Координация ног при ходьбе – очень сложный процесс. Необходимо согласованно напрягать и расслаблять мускулы, учитывая при этом данные с сенсоров кожи стоп, сигнализирующих об устойчивом положении ноги на полу или грунте.
Управление ходьбой, большей частью, лежит на «ансамблях» нейронов, расположенных в спинном мозге – в так называемом центральном генераторе упорядоченной активности (ЦГУА). В ответ на приказ мозга начать движение – он формирует последовательности импульсов, которые в свою очередь являются командой для мышц.
Если же работа нейронов нарушена в результате травмы, то вполне здоровые мышцы окажутся парализованы.
Технология, предложенная учёными из Курчатовского института, способна создать необходимую цепочку двигательных сигналов и заменить собой повреждённый фрагмент спинного мозга.
Учёные смогли добиться, чтобы в ответ на внешний сигнал, устройство, как и биологический аналог, выдавало ритмичную последовательность импульсов, в соответствии с биологическим паттерном ходьбы. Для успешной работы устройство необходимо настроить так, как действовал бы реальный спинной мозг.
Как известно, нервная система подстраивается под меняющиеся условия, при необходимости усиливая связь между нейронами, либо ослабляя эти связи.
«Одним из важнейших компонентов в нашей схеме является мемристор, так как его сопротивление можно изменять, формируя тем самым последовательность сигналов с определенным паттерном. В ходе моделирования мы выяснили, что если сопротивление мемристора слишком высокое, то при воздействии входного сигнала мембранный потенциал искусственного «нейрона» изменится незначительно, и «нейрон» не сформирует выходной сигнал», – поясняет Алина Сулейманова, научный сотрудник компании B-Rain Labs.
Мермистор необходимо «обучить», то есть уменьшить его сопротивление. Однако нельзя сделать сопротивление слишком низким, иначе последовательность выходных сигналов будет формироваться хаотично. Учёные определили чёткий диапазон значений сопротивления мемристора, при котором генерируется последовательность сигналов, похожая на биологический паттерн ходьбы.
В качестве проводящего материала за основу взято органическое соединение BTBT (бензотиено[3,2-b][1]-бензотиофен), тонкая пленка которого выступит в роли активного слоя мемристора.
«Материал был выбран не случайно. Во-первых, BTBT показывает скорость изменения сопротивления, сопоставимую с реальными биологическими нейронами. Во-вторых, в основе пленки – малая молекула, что позволяет гибко настраивать свойства устройств за счет химического изменения этих молекул и управления структурой пленки. Наконец, обладая всеми преимуществами органического материала, соединение в то же время показывает хорошую проводимость», – комментирует Никита Прудников, лаборант-исследователь группы нейроморфных систем лаборатории технологий искусственного интеллекта НИЦ Курчатовский институт.
Следующий этап разработки предусматривает создание уже реального прототипа и его дальнейшее тестирование с мемристивными приборами.
