|
Корейские ученые внедрили чип в мозг мыши
|
Ученым Корейского передового института науки и технологий (KAIST) удалось контролировать поведение лабораторных крыс при помощи специального приложения в смартфоне, передает Tengrinews.kz со ссылкой на сайт университета.
Сообщается, что исследователи вживили лабораторной мыши новый мозговой имплант и смогли в реальном времени влиять на поведение зверька. Для этого ученые предварительно вкололи мыши кокаин и управляли ею с помощью приложения на смартфоне. Таким образом ученые доказали, что имплант имеет способность подавлять поведение мыши, вызванное наркотиком. Это было достигнуто с помощью светодиодов, управляемых смартфоном, которые с точностью соответствуют нейронам коры головного мозга мыши.
Ученые утверждают, что технология в основе чипа пригодится и для других целей, ее можно использовать в любом виде имплантов и медицинских устройств.
Имплант вживляется в мозг, а заряжать его можно с помощью беспроводного устройства. Поэтому в случае разрядки аккумулятора это позволит не прибегать к хирургической операции.
"Это устройство устраняет необходимость в дополнительных болезненных операциях по замене батареи в импланте, позволяя добиться бесшовной нейромодуляции на постоянной основе", - пояснил глава исследовательской группы Джэ-Вонг Чжон.
По словам ученых, имплант позволит им проводить более глубокие исследования поведения животных в естественной среде. Отказ от использования аккумуляторов позволит мышам вести себя естественным образом.
Новые гибкие датчики в виде татуировок проконтролируют усталость
Инженеры создали датчики, которые можно прикрепить к коже для измерения движения в режиме реального времени. Подробности о технологии публикует журнал Scientific Reports.
Инженеры из университета Тафтса, США, создали и продемонстрировали гибкие датчики на основе нитей, которые могут измерять движение шеи, предоставляя данные о направлении, угле поворота и степени смещения головы. Новое открытие приведет к появлению тонких, незаметных татуировок. По мнению ученых, они смогут измерять спортивные результаты, контролировать усталость рабочего или водителя, помогать пациентам и врачам контролировать ход физиотерапии. Технология дополняет растущее число нитевых датчиков, которые можно вплетать в текстиль, измеряя газы и химические вещества в окружающей среде или метаболиты в человеческом поте.
В своих экспериментах исследователи поместили две нити в виде буквы «X» на шею испытуемого сзади. Покрытые электропроводящими чернилами на углеродной основе, датчики обнаруживают движение, когда нити изгибаются. Когда субъект совершал серию движений головой, провода отправляли сигналы на небольшой модуль Bluetooth, который затем передавал данные по беспроводной сети на компьютер или смартфон для анализа.
Растровая электронная микроскопия нитей, покрытых углеродной краской. Слева прямая резьба. Изгиб нитей с покрытием создает деформацию (справа), которая изменяет их электропроводность — величину, которую можно использовать для расчета степени деформации (шкала 200 микрон).
Анализ данных включал сложные подходы машинного обучения для интерпретации сигналов и их преобразования для количественного определения движений головы в реальном времени с точностью 93%. Таким образом, датчики и процессор отслеживают движение без помех в виде проводов, громоздких устройств. Такие умные нити позволят отказаться от использования камер или ограничений комнаты или лабораторного пространства.
По словам исследователей, хотя алгоритмы должны быть специализированы для каждого участка тела, доказательство принципа демонстрирует, что нитевые датчики могут использоваться для измерения движения в других конечностях. Пластыри на коже или даже облегающая одежда, содержащая нити, может использоваться для отслеживания движения в условиях, где измерения наиболее важны. Например, на дороге, рабочем месте или в учебном классе. Тот факт, что камера не требуется, обеспечивает дополнительную конфиденциальность.
Это многообещающая демонстрация того, как мы можем создать датчики, которые следят за здоровьем, производительностью и окружающей средой, делая это ненавязчиво.
Ивен Цзян, студент инженерного факультета Университета Тафтса и первый автор исследования
В дороге специальный патч-татуировка предупредит об усталости водителя грузовика или других ситуациях, когда критически важна бдительность оператора, отслеживая движения головы человека, который собирается уснуть.
«Если мы сможем развить эту технологию дальше, мы сможем найти широкий спектр приложений в сфере здравоохранения, — заключает Цзян. — Например, те, кто исследует болезнь Паркинсона и другие нервно-мышечные заболевания, могут также отслеживать движения субъектов в их обычных условиях и повседневной жизни, чтобы собирать данные об их состоянии и эффективности лечения».
«Татуировка» с пользой для мозга
Собираясь утром на электрокардиографию, колготы и кофты с узким рукавом лучше не надевать, иначе в кабинете врача придется снимать всю одежду. Очередь в коридоре после затянувшейся процедуры довольными лицами не встретит. «Закатайте брюки и рукава, лягте на кушетку, — сухо говорит медсестра и чуть мягче добавляет, — Постарайтесь расслабиться». Расслабление дается с трудом, ведь перед тем как подсоединить электроды, женщина в белом халате наносит на запястья и лодыжки пациента противный холодный гель, который после диагностики еще нужно оттереть от кожи.
Неудобства во время процедуры, нередко ошибочные результаты, невозможность длительных измерений, а также потребность в наблюдении за активностью мышц и мозга — все это толкает ученых к открытиям новых методов и устройств для диагностики. В 2015 году Франческо Греко, руководитель лаборатории прикладных материалов для печатной и мягкой электроники в Институте физики твердого тела при Технологическом университете Граца, совместно с итальянскими коллегами разработал так называемые «тату-электроды».
Это проводящие полимеры, которые печатаются с помощью струйного принтера на стандартной татуировочной бумаге. «Тату» приклеивается к коже и не требует жидкой «смазки» для измерения электрических сигналов. Толщина электрода от 700 до 800 нанометров — примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса — позволяет ему адаптироваться под все неровности кожи. В 2018 году команда оптимизировала созданный электрод. Модификация открыла новые пути в электрофизиологических исследованиях сердца и мышц: электрокардиографии (ЭКГ) и электромиографии (ЭМГ).
Прорыв ненадолго утолил исследовательскую жажду ученых. Теперь группа Греко преобразовала сухие тонкие электроды таким образом, что их также можно использовать в электроэнцефалографии (ЭЭГ) — для измерения мозговой активности. Разработка подробно описана в статье, недавно опубликованной в npj Flexible Electronics.
«Мозговые волны находятся в низкочастотном диапазоне, а сигналы ЭЭГ имеют очень низкую амплитуду. Их гораздо сложнее получать с высоким качеством, чем сигналы ЭМГ или ЭКГ». Чтобы достигнуть той же эффективности, что у обычных электродов, разработчики оптимизировали состав проводящего полимера и толщину бумаги. Модификация привела к более плотному соединению с кожей. Клинические испытания показали, что измерение ЭЭГ с оптимизированными «татуировками» столь же успешно, как и с обычными электродами для ЭЭГ.
Помимо сухости и возможности проведения длительных измерений, среди плюсов «тату"-электродов разработчики указывают стоимость. "Благодаря струйной печати и имеющимся в продаже подложкам, "татуировки" значительно дешевле, чем обычные электроды для ЭЭГ».
Возможно, в будущем полезные «татуировки» помогут ученым больше узнать о работе мозга, например, о процессах, идущих во сне. Тонкие наклейки на кожу понравятся участникам экспериментов намного больше, чем электродные сетки, вживляемые прямо в мозг.
Новые мозговые импланты прогнозируют приступ эпилепсии на несколько дней вперед
Ученые из Калифорнийского, Бернского и Женевского университетов разработали мозговой имплант, который может предсказывать риск приступов эпилепсии у пациента за несколько дней.
Ранее ученые разрабатывали системы для предупреждения приступов, которые прогнозировали его за несколько секунд или в лучшем случае минут. Наша разработка первая, которая может предсказать приступ за несколько дней до его начала. Это позволит людям с расстройствами планировать свою жизнь без опасения.
Викрам Рао, доктор медицинских наук, невролог из Центра эпилепсии UCSF, входящего в состав UCSF Helen
На протяжении десятилетий исследователи изучали эпилепсию: работали над построением моделей электрической активности мозга, которые сигнализируют о приближающемся припадке, однако это не было достаточно эффективно. Отчасти, по словам авторов исследования, это связано с тем, что технологии ограничили область регистрации активности мозга от нескольких дней до недель максимум в условиях искусственного стационара.
В Центре эпилепсии UCSF, крупном специализированном центре для пациентов на западе Соединенных Штатов, Рао впервые решил протестировать имплант для стимуляции мозга: он может быстро остановить припадки при их первых признаках. Это устройство, NeuroPace RNS System, также позволило команде Рао изучить мозговую активность, которая происходит перед приступом и во время. Ученые документировали эту активность в течение нескольких лет.
После этого они проанализировали собранные данные и обнаружили, что у эпилептических припадков есть закономерность. Приступы делятся на еженедельные и ежемесячные циклы «раздражительности мозга», по которым можно предсказать высокую или низкую вероятность припадка.
Исследователи решили проверить свою теорию на 157 пациентах с эпилепсией. В результате ученые смогли выделить у больных периоды, когда вероятность припадка была повышена в 10 раз: у некоторых добровольцев этот риск получилось спрогнозировать заранее за несколько суток. Исследователи отмечают, что повышенный риск приступа не говорит о том, что он гарантированно произойдет, это больше похоже на прогнозы погоды, которые с каждым годом становятся точнее. Ученые и дальше планируют совершенствовать свою систему и повышать ее точность.
Впервые создана работающая система для протеза головного мозга
Протез — это искусственное устройство, которое заменяет поврежденную или отсутствующую часть тела. Можно легко представить пирата с деревянной ногой или знаменитую роботизированную руку Люка Скайуокера. Теперь попробуйте представить протез, который заменяет часть поврежденного мозга. Ученые, тем не менее, создали работающую с помощью оптогенетики систему для протезирования человеческого или любого другого головного мозга. Об этом сообщает Scientific Reports.
Хотя было разработано всего несколько типов искусственных нейронов, ни один из них не был по-настоящему практичным для нейропротезов. Одна из самых больших проблем заключается в том, что нейроны в мозге связываются очень точно, но электрический выход из типичной электрической нейронной сети не способен нацеливаться на конкретные нейроны. Чтобы преодолеть эту проблему, команда преобразовала электрические сигналы в свет. Достижения в оптогенетике позволили точно нацелить нейроны в очень маленькой области биологической нейронной сети.
Оптогенетика — это технология, которая использует преимущества нескольких чувствительных к свету белков, обнаруженных у водорослей и других животных. Вставка этих белков в нейроны является своего рода хаком; как только они появятся, свет от нейрона сделает его активным или неактивным, в зависимости от типа белка.
В этом случае исследователи использовали белки, которые были активированы специальным синим светом. В своем эксперименте они сначала преобразовали электрический выход нейронной сети в клетчатый узор из синих и черных квадратов. Затем они осветили эту схему на квадрат 0,8 на 0,8 мм биологической нейрональной сети, растущей в чашке. Внутри этого квадрата непосредственно активировались только нейроны, включенные светом синих квадратов.
Спонтанная активность в культивируемых нейронах вызывает синхронную активность, которая следует определенному ритму. Этот ритм определяется тем, как нейроны связаны друг с другом, типами нейронов и их способностью адаптироваться и изменяться.
«Ключом к нашему успеху было понимание того, что ритмы искусственных нейронов должны совпадать с ритмами реальных нейронов. Как только мы смогли это сделать, биологическая сеть смогла ответить на “мелодии” от искусственного. Предварительные результаты, полученные в ходе европейского проекта Brainbow, помогают нам создавать эти биомиметические искусственные нейроны».
Тимоти Леви из Института промышленных наук Токийского университета и лаборатории IMS Университета Бордо
Они настроили искусственную нейронную сеть, чтобы использовать несколько разных ритмов, пока не нашли лучшее соответствие. Группы нейронов были назначены определенным пикселям в сетке изображения, и затем ритмическая активность смогла изменить визуальный паттерн, который был освещен культивируемыми нейронами. Световые паттерны были показаны на очень маленькой области культивируемых нейронов, и исследователи смогли проверить местные реакции, а также изменения в глобальных ритмах биологической сети.
Команда надеется, что будущие протезы, использующие их систему, смогут заменить поврежденные мозговые цепи и восстановить связь между областями мозга.
Выращенный человеческий мозг стал проявлять нейронную активность – ученые
Учёные, выращивающие модель головного мозга из нервных клеток, после 10 месяцев роста обнаружили, что ткань начала производить мозговые волны. Об этом 29 августа сообщает Newsweek.
«Уровень нейронной активности, которую мы видим, беспрецедентен», — заявили биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
В лабораторных условиях они поместили стволовые клетки, которые могут развиваться в клетки любого типа, в культуру, напоминающую естественную среду головного мозга. В результате они превратились в различные типы клеток коры головного мозга и объединились так, чтобы сформировать структуру, похожую на орган. Таким образом, были выращены сотни органоидов — структур головного мозга.
Зафиксированные мозговые волны — это скоординированные импульсы, передаваемые нейронами на расстояние с определенной частотой. Мозговые волны характерны для мыслительных процессов мозга, однако, учёные заверяют, что выращенная модель пока является слишком примитивной и не обладает сознанием.
«Возможно, в будущем мы получим что-то, что действительно близко к сигналам человеческого мозга, которые управляют поведением, мыслями или памятью», — заявили исследователи. Они предполагают, что достигнутые результаты окажут помощь в создании методов лечения заболеваний головного мозга, таких как шизофрения, аутизм, эпилепсия и даже для создания искусственного интеллекта.
Разработана сверхтонкая линза
Инженеры из Университета Сан Пауло создали линзу, которая в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Она сделана из одного слоя кремния толщиной в один нанометр и была распечатана при помощи техники фотолитографии. В ней используются крошечные волноводы, образующие метаповерхность для того, чтобы преломлять свет, который проходит через нее. Область применения разработки достаточно широка, учитывая, что многие электронные устройства становятся все меньше.
Это тип линз называется мета-линзы и они были впервые разработаны 10 лет назад. Их особенность в том, что с их помощью можно получить наивысшее разрешение, которое физически возможно, но при очень малом угле обзора.
Преимущество новой линзы, по словам ученых, как раз состоит в том, что она теоретически может достигать угла обзора в 180 градусов без искажений. Пока она эффективно протестирована до 110 градусов на специальной камере, распечатанной на 3D принтере. Полученные снимки сделаны в зеленом цвете, но исследователи говорят, что линза будет улучшена, и тогда станет возможным делать полноценные фотографии в цвете.
Инженеры впервые создали плоскую линзу «рыбий глаз»
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали первую плоскую сверхширокоугольную панорамную линзу. Ее поле зрения превышает 170 градусов.
Ученые объяснили, что для захвата панорамных видов в одном кадре, фотографы обычно используют линзы «рыбий глаз» — сверхширокоугольные линзы из нескольких кусочков изогнутого стекла, которые искажают входящий свет, чтобы получить широкие, пузырьковидные изображения. Однако их сферическая, многокомпонентная конструкция делает объективы громоздкими и дорогостоящими в производстве.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института (MIT) и Университета штата Массачусетс в Лоуэлле разработали широкоугольный объектив, который является абсолютно плоским. Это первый плоский объектив «рыбий глаз», с его помощью можно делать четкие 180-градусные панорамные снимки. Конструкция представляет собой разновидность «металлен» — тонкий материал с микроскопическими характеристиками, которые взаимодействуют друг с другом для управления светом.
В этом случае новая линза «рыбий глаз» состоит из одного плоского миллиметрового куска стекла, покрытого крошечными структурами, которые точно рассеивают входящий свет для получения панорамных снимков. Объектив работает в инфракрасной части спектра, но исследователи говорят, что он может быть модифицирован для получения изображений с использованием видимого света.
Новую линзу можно использовать в смартфонах и ноутбуках, а также подключать к разным внешним устройствам. Низкопрофильные линзы также могут быть интегрированы в медицинские устройства визуализации, такие как эндоскопы, а также в очки виртуальной реальности, носимую электронику и другие устройства компьютерного зрения.
«Эта конструкция несколько удивляет, потому что некоторые считали, что невозможно сделать цельный плоский объект с ультраширокоугольным обзором, — отметили исследователи из MIT. — Тот факт, что это может на самом деле мы смогли прийти к этому — большое достижение».
Ученые открыли метод, позволяющий вводить сенсорную информацию в мозг
Учёные из Стэнфордского университета в Калифорнии поместили изображения в зрительную кору головного мозга мышей, воздействуя тем самым на 20 нейронов. Об этом 18 июля сообщает журнал Nature.
Для индуцирования галлюцинаций у мышей были использованы импульсы света. Подопытным грызунам показывали изображения горизонтальных или вертикальных полос и обучали животных лизать из трубки с водой каждый раз, когда они видели вертикальные полосы. Ученые контролировали мозг животных и записывали, какие нейроны запускаются, когда мыши видят вертикальные полосы.
Американские и английские ученые в открытии новой методики видят колоссальный потенциал, так как она может в дальнейшем привести к созданию протезов, которые вводят сенсорную информацию прямо в мозг. Новая методика (называемая оптогенетикой) также поможет разработке устройств, которые позволят видеть людям с нарушениями зрения.
Напомним, в июне американская компания Second Sight, расположенная в Лос-Анджелесе, опубликовала данные клинических испытаний устройства, в котором электроды, имплантированные в зрительную зону коры головного мозга, восстанавливали зрение у слепых людей. Электроды стимулировали мозг в ответ на информацию, полученную из камеры, которую пациенты носили рядом с глазом человека. Это позволило пациентам различить белый квадрат на черном экране.
