Нейронное программирование относится к искусственному изменению активности мозга с целью создания, изменения или удаления воспоминаний или воссоздания физических ощущений. Хотя научная фантастика использовала его в течение многих лет, теперь настала очередь нейронауки овладеть им. Группе биологов удалось разработать устройство, способное активировать и деактивировать несколько нейронов с помощью голографической фотостимуляции.
Используя световые импульсы, группе биологов из Университета Беркли (США) удалось модулировать активность нескольких нейронов одновременно Такой метод может позволить динамическое нейронное редактирование с целью изменения памяти, устранения боли или даже введения новых образов, созданных ad hoc. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Технология, разработанная исследователями, называется « Голографический модулятор мозга » и использует фото- голографическая стимуляция для оптического мониторинга нейронной активности. Конечная цель состоит в том, чтобы иметь возможность контролировать тысячи нейронов одновременно в соответствии с типичными неврологическими паттернами, чтобы изменять память или искусственно воссоздавать ощущения. Устройство постоянно измеряет и анализирует активность мозга и, в зависимости от окружающей среды или психологического контекста, решает, какие нейроны следует стимулировать, а какие подавлять.
Такая технология может позволить слепым людям «видеть» свое окружение с помощью камеры, которая может преобразовывать воспринимаемые изображения в нейронный электрический сигналвоссоздание изображения, таким образом повторяя роль зрительного нерва или даже протеза, воссоздающего ощущения прикосновения. «Эта техника имеет большой потенциал для нейронных протезов благодаря своей точности, позволяющей мозгу интерпретировать паттерны нейронной активации. Если вы можете читать и писать на языке мозга, то вам будет легче общаться с последним», - объясняет Алан Мардинли, клеточный и молекулярный биолог (Университет Беркли).«Это первый шаг на долгом пути к разработке технологии имплантации виртуального мозга, которая создает или усиливает ощущения».
Для этого ученые протестировали свое устройство на мозге мышей, а точнее на трехмерных срезах мозга, включающих от 2000 до 3000 нейронов Они использовали вирусные векторы (вирусы, вирусная нагрузка которых была заменена искусственным геномом) для интеграции в нейроны последовательности ДНК, позволяющей производить специфические белки, называемые « opsines”. Опсины - это белки, способные реагировать на световую энергию путем связывания с сетчаткой (также называемой витамином А). В целях эксперимента исследователи создали оптогенетические инструменты, стимулирующие активность опсинов, получившие название «ST-ChroME» и «IRES-ST-eGtACR1».
Через костное отверстие (полость) в черепах мышей биологи посылали импульсы света - около 300 в секунду, каждый из которых способен активировать 50 нейронов за раз. Трудность заключалась в нацеливании на нейроны по отдельности. Чтобы обойти эту проблему, авторы создали голографическую компьютерную модель, создающую трехмерную диаграмму за счет кривизны и концентрации света. Затем этот световой узор проецировался на ткани соматосенсорной коры, контролирующей осязание, зрение и двигательные навыки, что позволяло модулировать активность каждого нейрона индивидуально.
В этом видео показана голографическая фотостимуляция нескольких нейронов на трех слоях мозговой ткани:
«Основной прогресс заключается в возможности точного управления нейронами в пространстве и времени», - объясняет Николас Пгард, биолог и ведущий автор исследования. «То есть возможность целенаправленно активировать набор нейронов, и это в характерных масштабах положения и скорости, с которыми они работают естественным образом».
Во время эксперимента мыши ходили по беговым дорожкам с полностью обездвиженными головами, чтобы правильно воздействовать на выбранные нейроны. Было обнаружено, что мозговая активность, проанализированная в режиме реального времени, идентична той, которая была бы у мыши, если бы она свободно бродила по земле в своем естественном состоянии, что указывает на то, что искусственно вызванный стимул работал хорошо. Ученых ждет еще много работы, поскольку технология позволяет воздействовать только на очень маленькую область мозга и требует тяжелого оборудования. Однако авторы указывают, что размер может быть уменьшен до размера рюкзака.
Следующим шагом является обучение мышей обнаруживать возможные изменения в поведении после модуляции нейронов. Исследователи также стремятся записать реальные паттерны мозговой активности в коре головного мозга, чтобы затем воспроизвести их с помощью голографического модулятора мозга, чтобы проверить, получают ли они одинаковую реакцию.