Нейростимуляцию — на новый уровень

Специалисты ННГУ впервые смогли обработать сигнал клеток гиппокампа грызунов с помощью мемристора как искусственного синапса.

По словам ученых, в экспериментах in vitro мемристор отвечает на нейросигналы как часть живой системы. Испытания показали, что устройство может распознавать эпилептические сигналы и в перспективе блокировать их. В дальнейшем это должно позволить предотвращать приступы эпилепсии и заменять поврежденные участки мозга.

Нейроны обмениваются аналоговыми сигналами, и эти сигналы можно смоделировать и обработать с помощью схем на основе транзисторов, усилителей и других электронных компонентов. У этих громоздких систем большое энергопотребление и низкая скорость работы. По словам исследователей, мемристоры за счет своей универсальности сделают схемы нейропротезов значительно производительнее, точнее и проще.

Перспективные элементы

«Изначально большинство исследований по мемристорной тематике в России и во всем мире были направлены на разработку элементов памяти на их основе, — рассказала “Стимулу” автор исследования, научный сотрудник лаборатории стохастических мультистабильных систем ННГУ им. Н. И. Лобачевского, кандидат физико-математических наук Мария Коряжкина. — Активность исследований в этом направлении мотивировалась приближающимися фундаментальными и инженерными трудностями при дальнейшем уменьшении техпроцесса микроэлектроники. Однако мемристоры очень быстро доказали свою перспективность и в качестве базового элемента для нейроморфных систем, демонстрирующих биоподобное поведение».

В этих системах используются принципы, лежащие в основе биологических процессов в нейронах и синапсах. По словам ученых, задачи, решаемые в рамках данного направления, имеют высокую социально-экономическую значимость. Она отражается в разработке целого набора устройств, начиная с роботов, способных выполнять тяжелый физический труд, и заканчивая нейропротезами, предназначенными для восстановления утраченных мозгом способностей.

В основу проекта легли и собственные многолетние наработки в области мемристорной электроники и нейрофизиологии, и обширный мировой опыт научного сообщества.

Сотрудник лаборатории стохастических мультистабильных систем ННГУ им. Н. И. Лобачевского Мария Коряжкина

Пресс-служба ННГУ/Андрей Скворцов

Вместо лекарств и хирургии

В настоящее время наиболее распространенная тактика лечения эпилепсии — медикаментозная терапия. Однако около трети пациентов не реагируют на лечение противосудорожными препаратами. Они попадают в категорию больных с фармакорезистентной эпилепсией. В таком случае необходимо хирургическое вмешательство.

Один из самых надежных методов прекращения возникновения приступов — хирургическая резекция, однако ее возможности ограничены. Часто удалить всю зону возникновения приступов не удается, а хирургическое вмешательство может привести к дополнительным осложнениям и появлению новых эпилептогенных зон из-за повреждения структур головного мозга.

Избежать многих серьезных побочных эффектов, связанных с приемом лекарств или хирургическим вмешательством, помогает нейростимуляция. Для изменения и остановки патологической нейрональной активности в рамках этого метода используются электрические или магнитные токи в мозге. Нейростимуляция обратима и минимально инвазивна.

Однако существующие методы стимуляции, как правило, недостаточно адаптивны и гибки. Приборы, используемые в клинической практике, применяют стимулирующие сигналы постоянной частоты и амплитуды без обратной связи. Это значительно усиливает негативные эффекты и снижает эффективность.

Разработка элементов на новых физических принципах способствует развитию нового поколения нейропротезов и нейромодуляторов. И мемристоры при создании этих устройств играют важную роль. Выполняя функции и нейронов, и синапсов, они способны обрабатывать и хранить информацию. Их применение позволит усовершенствовать нейропротезы: они станут быстрее, энергоэффективнее и подешевеют. Кроме того, нейропротезы на мемристорах уменьшатся в размерах, что крайне важно в медицинской практике.

Массив мемристивных устройств в зондовой станции для лабораторных электрофизических исследований, проводимых в ННГУ им. Н. И. Лобачевского

Пресс-служба ННГУ/Андрей Скворцов

Маленькие и эффективные

Мария Коряжкина рассказала, что представляет собой мемристор и почему искусственный синапс создан именно на его основе. Мемристор, или резистор с памятью, физически может быть реализован в форме плоского наноконденсатора: нанометровый слой диэлектрика формируется между двумя параллельными металлическими слоями. Он работает на эффекте резистивного переключения — локального изменения электронной проводимости пленки диэлектрика вследствие воздействия электрического поля. Это изменение может быть резким или плавным.

Мемристоры первого типа, как предполагается, найдут широкое применение в цифровых устройствах, в которых логика основана на нулях и единицах. Мемристоры второго типа отлично подходят для реализации на их основе искусственных синапсов. Дело в том, что нейроны взаимодействуют друг с другом с использованием плавно изменяющихся сигналов аналогового типа.

«Искусственный синапс может быть реализован с использованием элементов традиционной электронной компонентной базы. Эти исследования выполнялись еще в прошлом веке. Мемристоры в данном случае выигрывают с точки зрения занимаемой площади, энергоэффективности и производительности: для реализации одного искусственного синапса нужен один мемристор или, условно, десять транзисторов», — рассказала Мария Коряжкина.

По ее словам, от исследования обработки нейрональной активности мемристором, что сделано в данном исследовании, до разработки самодостаточного устройства еще очень далеко. Предполагается, что такой нейропротез будет распознавать и блокировать эпилептиформную активность нейронов за счет специфического отклика мемристора и адаптации стимулирующего сигнала.

«Экспериментальное моделирование эпилептиформной нейрональной активности в срезах гиппокампа давно используется во многих научных группах, — поясняет соавтор исследования, старший научный сотрудник научно-исследовательского института нейронаук ННГУ им. Н. И. Лобачевского, кандидат биологических наук Альбина Лебедева, — а вот приложение полученной экспериментально эпилептиформной активности гиппокампа к мемристору и исследование его отклика было выполнено впервые».

Сотрудники лаборатории мемристорной наноэлектроники НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» и НИИ Нейронаук Алексей Белов и Мария Коряжкина за работой

Пресс-служба ННГУ/Андрей Скворцов

Сбой в работе нейронов

Расскажем также о самом механизме приступов эпилепсии. По современным представлениям, эпилептический приступ возникает из-за чрезмерной синхронизации работы группы нейронов, вследствие которой эта группа нейронов генерирует электрофизиологический сигнал «сверх нормы» и посылает его к другим нервным клеткам и мышцам, что перерастает в судороги, потерю сознания и в итоге к необратимому повреждению нервной ткани.

«Эпилептиформный сигнал в нашем исследовании представлял собой локальный полевой потенциал — временной ряд электрофизиологических сигналов нервной ткани в ответ на электрическую стимуляцию, записанных в условиях блокирования потенциал-зависимых калиевых каналов хемоконвульсантом 4-аминопиридином. Этот препарат не дает ионам калия диффундировать из клетки во внеклеточное пространство, за счет чего реализуется гипервозбужденное состояние нейронов», — поясняет Мария Коряжкина.

Предполагается, что такой протез в будущем будет «чувствовать» ненормальную форму сигнала и предотвращать распространение такого сигнала дальше, к другим клеткам, посредством особых стимулирующих сигналов.

Проект реализован при поддержке Российского научного фонда