Ученые из США представили прототип беспроводной системы «мозг-компьютер». Теперь парализованные люди могут использовать его для того, чтобы управлять протезами или печатать на ноутбуке.
Исследователи объяснили, что интерфейсы «мозг-компьютер» — это развивающаяся вспомогательная технология, которая помогает парализованным людям печатать на компьютере или управлять протезами мыслями. В течение многих лет интерфейсы, используемые в клинических исследованиях, требовали наличия кабелей для подключения сенсорной матрицы в мозге. Затем эти сигналы декодируются и управляют внешними устройствами.
Участники клинических испытаний BrainGate впервые протестировали такие устройства с беспроводным передатчиком. Система способна передавать мозговые сигналы без физической привязки пользователя к системе декодирования. Традиционные кабели исследователи заменили небольшим передатчиком, размером всего в несколько сантиметров и весом 42 грамма. Прибор установили на верхней части головы пользователя и соединили с электродной решеткой внутри моторной коры головного мозга.
В клинических испытаниях два пациента с параличом использовали систему BrainGate с беспроводным передатчиком, чтобы указать, нажать на кнопки или вводить текст на стандартном планшете. Исследование показало, что беспроводная система передает сигналы практически с той же точностью, что и проводные системы, а участники достигли такой же точности наведения и набора текста.
«Мы продемонстрировали, что эта беспроводная система функционально эквивалентна проводным системам, которые на протяжении многих лет являются золотым стандартом, — отметил Джон Саймерал доцент кафедры инженерии в Университете Брауна в США. — Сигналы записываются и передаются с аналогичной точностью, что означает, что мы можем использовать те же алгоритмы декодирования, которые мы использовали для проводного оборудования. Единственное отличие состоит в том, что людям больше не нужно физически привязываться к нашему оборудованию, что открывает новые возможности с точки зрения использования системы».
Гидрогель с бором сращивает разорванные мышцы в 2 раза быстрее, чем естественная регенерация
Ученые из Политехнического университета Валенсии разработали на доклиническом уровне новый биоматериал для лечения и восстановления мышечных травм. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Materials Science & Engineering.
Насыщенный бором альгинатный гидрогель, разработанный исследователями, можно вводить подкожно. Согласно тестам, проведенным на животных, гидрогель способен очень быстро регенерировать поврежденную мышцу, в частности, за половину времени, необходимого для ее естественной регенерации. Изобретение также может быть применено для профилактики и лечения мышечной атрофии, связанной со старением.
Главное преимущество этого биоматериала заключается в высвобождении бора. При высвобождении он стимулирует интегрины — белки, которые присутствуют во всех клетках тела и играют фундаментальную роль в адгезии клеток к внеклеточному матриксу, что способствует правильному формированию тканей.
По данным ученых, одновременная стимуляция интегринов, связывающих фибронектин и переносчик ионов бора (NaBC1), значительно улучшает регенерацию мышц на анатомическом уровне. Это происходит потому, что он вызывает большее количество спаек большего размера в недифференцированных мышечных клетках, которые участвуют в регенерации мышц после травмы. Это приводит к образованию дифференцированных мышечных трубок, необходимых для правильного создания новые регенерирующие мышечные волокна.
«В тестах, которые мы провели в наших лабораториях после нанесения острой травмы кардиотоксином (ядом змеи кобры) у мышей, активация NaBC1 ускорила процесс регенерации мышц. Мы подтвердили это, добавив бор к поврежденным мышечным клеткам их уровень адгезии увеличился, и теперь они склеиваются быстрее и надежнее, позволяя мышцам регенерироваться за более короткий период времени», — рассказывает доктор Патриция Рико, исследователь в Центре биоматериалов и тканей. Разработка Политехнического университета Валенсии.
Эта работа предлагает простой и новый способ достижения регенерации мышц за счет взаимодействия между специфическими рецепторами на клеточной мембране. «Если, например, для регенерации фибриллярного разрыва второй степени требуется 30 дней, использование нашего гидрогеля сокращает время восстановления до 15 дней», — добавляет Патриция Рико.
Команда доктора Рико в настоящее время работает над изучением применения этого нового биоматериала для лечения мышечных дистрофий, таких как мышечная дистрофия Дюшенна, редкое наследственное заболевание, которым страдает 1 ребенок из 100 000.
Новый слуховой имплант считывает активность мозга и настраивается под владельца
Исследователи из Бельгии создали новую версию имплантируемого слухового аппарата: его сделали самонастраиваемым.
Новая разработка способна автоматически подстраиваться под владельца с помощью специальных электродов, отслеживающих изменения в мозге.
Имплантируемые слуховые аппараты (их еще называют кохлеарными) используются в медицинской практике уже четыре десятилетия. Они передают звук напрямую в мозг пациента с помощью специальных электродов. Однако ранее каждую единицу приходилось настраивать под индивидуальные особенности пациента.
Новая разработка создана, чтобы обойти эту проблему. Новый имплант не только передает сигналы в мозг, но и собирает обратную связь о том, как меняется рисунок его активности в ответ на стимуляцию слухового нерва.
Для этого авторы временно заменили часть электродов в слуховых аппаратах нескольких добровольцев, а также прикрепив несколько подобных проводников к их коже. В результате новые электроды четко отслеживали, как нервная система добровольцев реагировала на различные звуки. Благодаря этому исследователи отследили, как изменения в настройках кохлеарных имплантов повлияли на активность мозга пациентов.
Китайские ученые представили «нейтроботов» для доставки лекарств прямо в мозг
Живые клетки-нейтрофилы заполнили магнитным наногелем с лечащим средством внутри: такие гибридные системы легко проникают сквозь гематоэнцефалический барьер вместе со своим полезным грузом.
Заболевания мозга трудно поддаются лечению не только потому, что это самый сложный орган нашего тела. Он еще и самый защищенный: даже кровеносные сосуды не связаны с тканями центральной нервной системы, отделяясь от них клетками гематоэнцефалического барьера. Проницаемость ГЭБ избирательна: кислород и питательные вещества он пропускает, но не пропускает токсины, вирусы и другие потенциально опасные агенты. Однако он же не дает добраться к мозгу и множеству полезных веществ.
Неудивительно, что ученые разных стран пытаются создать средства преодоления ГЭБ: например, полые наночастицы, которые могли бы проникать к клеткам мозга, доставляя лекарство внутри и высвобождая его уже на месте. А команда Чжигуана У (Zhiguang Wu) из Харбинского технологического университета собрала для этого целого микроробота. О своей разработке они рассказали в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.
На схеме авторы показали устройство в целом, а также его движение под действием магнитного поля через кровеносную систему и ГЭБ к опухоли в мозге / ©Zhang et al., 2021
Ученые назвали систему «нейтроботом», поскольку для сборки используют фрагменты нейтрофилов, иммунных клеток крови. Происходит это следующим образом. Сначала авторы подготовили микроскопические и упругие частицы «магнитного наногеля»: их полимерный каркас, обладающий магнитными свойствами, может набирать довольно количества воды вместе с нужным лекарством. Далее клетки бактерий кишечной палочки убивали и «потрошили», удаляя все лишнее и оставляя лишь фрагменты клеточных мембран. Ими покрывали частицы геля.
На иммунитет бактериальная мембрана действует «как красная тряпка». Поэтому, когда подготовленные частицы смешивались с нейтрофилами, те быстро атаковали их и проводили фагоцитоз, поглощая потенциально опасный объект. Благодаря магнитным свойствам наногеля их движение можно контролировать, воздействуя внешним магнитным полем, чтобы направлять клетки в мозг. Сквозь ГЭБ нейтрофилы способны проходить легко и самостоятельно, будучи привлеченными сигналами воспаления от больного мозга. С собой они несут и полезный лекарственный груз.
Работоспособность своих «нейтроботов» ученые продемонстрировали не только «в пробирке», но и на живых лабораторных мышах — модельной линии, которая используется для исследований глиомы, опухоли мозга. Наногелевые частицы загрузили противораковым препаратом паклитакселом, поместили в бактериальные мембраны и нейтрофилы, а затем уже готовых «нейтроботов» инъецировали в хвостовую вену. Вскоре было зафиксировано, что те действительно преодолели ГЭБ и доставили лекарство в ткани центральной нервной системы.
Теперь авторы планируют заняться доработкой и усовершенствованием своей системы. Прежде всего ученых интересует процесс управления перемещениями «нейтроботов» и контроль над их движением. Пока магнитное поле воздействует достаточно широко, направляя в нужную сторону целую массу таких микроскопических систем и теряя множество частиц по дороге.
Лекарство от гриппа и сердечный препарат спасают от сепсиса
Трикагрелор и осельтамивир поддерживают уровень тромбоцитов при бактериальном заражении крови, что повышает шансы на выздоровление.
Сепсис, или заражение крови – это воспалительная реакция в ответ на бактериальное заражение. Воспаление может быть настолько сильным, что выведет из строя некоторые органы и приведёт к смерти. Летальные случаи нередки – 20–30% от всех больных сепсисом. Среди бактерий, которые вызывают его чаще всего, называют золотистого стафилококка, Staphylococcus aureus.
Обычно с сепсисом стараются справиться антибиотиками. Однако антибиотики не всегда способны спасти пациента, даже если в лабораторных тестах они аккуратно убивали всех бактерий. Другой способ предлагают в Science Translational Medicine исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Изучая историю болезни почти полусотни больных со стафилококковым сепсисом, они обратили внимание на то, что исход болезни зависит от числа тромбоцитов. Те, у кого их было мало (в данном случае – не больше 100 тыс. в 1 мм3 крови) с большой вероятностью умирали. Если говорить в процентах, то среди больных с сепсисом и количеством тромбоцитов менее 100 тыс. погибал 31%, тогда как среди больных с числом тромбоцитами более 100 тыс. умирало только 6%.
Тромбоциты нужны не только для свёртывания крови, они также выделяют антимикробные пептиды, стимулирующие иммунитет активнее уничтожать бактерий. В то же время золотистый стафилококк выделяет особый белок – альфа-токсин, который, во-первых, проделывает дыры в клеточных мембранах, убивая клетки (строго говоря, тромбоциты не совсем клетки, но для нас это сейчас не так важно). А во-вторых, альфа-токсин активирует наш собственный фермент, который срезает с поверхности тромбоцитов сиаловую кислоту. Без сиаловой кислоты на поверхности тромбоциты выглядят дефектными и лишаются права оставаться в крови: когда их приносит в печень, она задерживает их в себе, изымая из кровотока. Соответственно, такие тромбоциты уже не могут простимулировать иммунитет на борьбу с бактериями. Но если тромбоцитов у человека в принципе много, то остаётся шанс победить сепсис – что и демонстрирует статистика по больным с разным уровнем тромбоцитов в крови.
Можно попробовать найти препараты, которые мешали бы бактериальному альфа-токсину вредить тромбоцитам. И такие препараты есть – это трикагрелор и осельтамивир, также известный как Тамифлю. Трикагрелор блокирует слипание тромбоцитов, тем самым препятствуя тромбам; его прописывают больным сердечно-сосудистыми заболеваниями. Тамифлю представлять не надо – это один из популярных препаратов против гриппа.
Как оказалось, трикагрелор также подавляет активность альфа-токсина – тот не может внедриться в мембрану тромбоцита и не может простимулировать фермент, который срезает с тромбоцита сиаловую кислоту. Осельтамивир просто не даёт этому ферменту работать, так что тромбоциты остаются в крови, даже если вокруг плавает много альфа-токсина.
Эксперименты с сепсисными мышами показали, что оба препарата поддерживают достаточно высокий уровень тромбоцитов в крови. Бактерий же в крови у них было меньше, чем у мышей, которым не давали ни трикагрелор, ни осельтамивир. Среди больных животных, которым давали эти препараты, спустя 10 дней инфекции в живых оставалось 60% – тогда как среди тех, кто болел без лекарств, через 10 дней в живых оставались только 20%.
И у трикагрелора, и у осельтамивира есть побочные эффекты, и в клинических исследованиях предстоит выяснить, какие дозы обоих нужны для того, чтобы поддержать уровень тромбоцитов при сепсисе и одновременно не вызвать серьёзных «побочек». Также было бы интересно выяснить, помогут ли трикагрелор и осельтамивир при сепсисе, вызванном другими бактериями. В любом случае, вряд ли это займёт много времени – оба препарата давно используются в медицине, и специалисты в принципе знают, как они ведут себя в человеческом организме.
Лекарство от диабета против ВИЧ
Метформин тормозит энергетический обмен в иммунных клетках, тем самым мешая вирусу размножаться в них.
При диабете второго часто прописывают метформин. Диабет второго типа – это когда наши клетки теряют чувствительность к инсулину. Он должен был бы понуждать клетки поглощать глюкозу из крови, но раз они инсулиновые сигналы не чувствуют, то и глюкоза остаётся в крови, и её уровень становится непозволительно высок. Есть разные препараты, которые помогают восстановить клеточную чувствительность к инсулиновым сигналам, и метформин – один из самых известных.
Но в последнее время у метформина обнаруживают и другие полезные эффекты. Например, он помогает клетке избавиться от опасного молекулярного мусора, появившегося из-за радиации. Ещё метформин вместе с мужским стероидным гормоном омолаживает тимус – важную иммунную железу, необходимую для созревания лимфоцитов. Наконец, как пишут в Nature Immunology сотрудники Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле, метформин помогает иммунным клеткам справиться с ВИЧ-инфекцией.
Когда вирус проникает в Т-клетки, он заставляет их получать больше энергии – потому что энергия нужна самому вирусу для размножения. Очевидно, если замедлить энергетический обмен в клетке, то вирусу в ней станет некомфортно. Исследователи искали, какое вещество тут можно использовать, и оказалось, что тут вполне подходит метформин.
Эксперименты ставили на клетках человека, а также на специальных мышах, которые несли в себе человеческие иммунные клетки (иммунитет у мышей был модифицирован так, чтобы не начинать иммунную реакцию в ответ на человеческие белки). И в клетках человека, и в мышах с клетками человека метформин подавлял размножение ВИЧ.
Исследователи также проанализировали медицинскую статистику по больным с ВИЧ. У некоторых из них после заражения ВИЧ развивался диабет, и они начинали принимать метформин. Оказалось, что если больной с ВИЧ принимает метформин, то уровень вируса в крови будет в среднем на 33% ниже, чем у того, кто метформин не принимает.
Сейчас ВИЧ удаётся вполне эффективно сдерживать антиретровирусными препаратами. Однако они не могут избавить от ВИЧ полностью: вирус умеет «засыпать» в клетке, становясь неуязвимым для лекарств, и просыпаясь время от времени, он успевает нанести определённый урон иммунитету. Кроме того, антивирусные средства чреваты побочными эффектами. Метформин стал бы тут хорошим подспорьем: вряд ли с его помощью удастся окончательно изгнать вирус из организма, но с ним антиретровирусная терапия может стать намного более эффективной. В пользу метформина говорит и то, что это не экспериментальный препарат – он давно испытан в клинических исследованиях, и притом сравнительно дёшев.
Это далеко не первый раз, когда, казалось бы, давно знакомое лекарство вдруг обнаруживает новые полезные свойства. Насчёт того же ВИЧ мы не так давно писали, что антибиотик конканамицин А мешает вирусу скрываться от иммунитета. А буквально на днях мы рассказывали, что лекарство от гриппа и сердечный препарат повышают шансы выжить при общем заражении крови.
Умный рюкзак помогает слабовидящим людям ориентироваться в пространстве
Исследователи из Intel представили умный рюкзак, который поможет ориентироваться слабовидящим. Устройство умеет анализировать происходящее вокруг и предупреждать пользователя о препятствиях. Об этом «Хайтеку» рассказали представители компании.
Команда разработчиков продуктов на основе искусственного интеллекта (ИИ) компании Intel представила рюкзак с голосовым управлением. Устройство поможет слабовидящим людям ориентироваться в пространстве и воспринимать окружающий мир. Система может анализировать звуки в окружающем пространстве и предупреждать о препятствиях — ветках деревьев, пешеходных переходах, бордюрах.
Система работает внутри небольшого рюкзака, где располагается вычислительный модуль. Камера встраивается в куртку-жилет, а в поясной сумке скрывается компактная батарея, с ее помощью устройство может работать до восьми часов. Пространственную ИИ-камеру можно прикрепить к жилету или поясной сумке и затем к вычислительному модулю в рюкзаке. Обзор камере обеспечивают три отверстия в жилете.
Модуль представляет собой мощное ИИ-устройство на базе Intel Movidius VPU. Оно работает с с современными нейронными сетями и обеспечивает ускорение функций компьютерного зрения и разметки карты глубины в режиме реального времени.
Пользователь может взаимодействовать с системой благодаря наушникам с Bluetooth. Так можно передавать голосовые запросы и команды, при этом система отвечает устными сообщениями.
Ученые добавили, что по оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), во всем мире насчитывается 285 млн людей с ослабленным зрением. Между тем, системы визуальной помощи для навигации имеют крайне ограниченные возможности. Таким решениям не хватает восприятия глубины, которое необходимо для облегчения самостоятельной навигации слабовидящих.
Российская школьница создала гаджет, позволяющий слабовидящим узнать расстояние до препятствий
Девятиклассница из Казани создала устройство, которое позволяет слабовидящим в режиме реального времени узнавать, где находится ближайшее препятствие и какое до него расстояние. Об этом пишет ТАСС.
Ученица девятого класса школы № 139 в Казани Элина Павлович представила носимый гаджет, которые может работать вместе с любым смартфоном на базе Android. Он содержит контроллер и ультразвуковой дальномер — они используются для сканирования окружающего пространства, это передается в приложение по интерфейсу USB.
Приложение переводит поступившую информацию в виброакустический сигнал, слабовидящий чувствует его и понимает, что где-то находится препятствие. В дальнейшем разработчики собираются создать модель для подключения геолокации.
Себестоимость одного устройства без смартфона составляет 500 рублей. Элина Павлович разработала его для участия во Всероссийской научной конференции учащихся имени Н. И. Лобачевского, пока неизвестно, собирается ли она развивать этот проект и дальше.
Российские ученые создали разработку, которая снизит риск сердечных приступов и инсультов на опасных работах
Специалисты Центра компетенций НТИ на базе Сколтеха научились использовать данные стандартных носимых пульсометров для уменьшения ошибки измерения артериального давления. Разработанные алгоритмы на основе технологий машинного обучения и глубоких нейронных сетей в будущем станут применяться в компактных устройствах непрерывного мониторинга здоровья сотрудников на опасных работах и людей из различных групп риска.
Повышение артериального давления зачастую происходит незаметно для человека. Однако такое отклонение от нормы резко увеличивает вероятность развития болезней сердца. Для своевременной диагностики проблем, связанных с изменением давления (гипертония или гипотония), врачу нужны данные регулярных наблюдений. Резкие скачки давления как вверх, так и вниз, не только представляют угрозу здоровью конкретного человека, но и могут создать опасность для других людей, если потеря сознания, сердечный приступ или инсульт случатся, к примеру, у водителя автобуса, пилота или машиниста.
Привычный способ измерения артериального давления – с манжетой, которую накладывают на руку, – прост, но недостаточно «мобилен». Трудно представить себе таксиста или крановщика, то и дело отвлекающихся на такую процедуру. В то же время другой показатель работы сердца – пульс – давно можно достаточно точно измерить пульсометром, который представляет собой небольшое носимое устройство. Установленный в нем светодиод направляет на запястье луч света, который отражается и принимается фоторезистором (датчик, чувствительный к уровню освещенности).
Часть прошедшего через кожу света поглощается кровью, которая течет по артерии, а часть — отражается обратно и попадает в фоторезистор. Этот метод измерения пульса, фотоплетизмография, основан на том, что объем крови в артерии зависит от текущей фазы пульса, поэтому отраженный свет тоже пульсирует в ритм с сердцем.
Фотоплетизмографию довольно давно предложили использовать для измерения давления, однако достигаемая точность измерения не была достаточной с точки зрения врачей. Только в последние годы, с развитием технологий компактных датчиков и с увеличением скорости обработки цифровых сигналов, стало возможным предложить медицинскому сообществу тонометр в носимом форм-факторе (чему свидетельствуют обильно появляющиеся на полках компактные тонометры и измеряющие давление «умные» часы). Команда ученых Центра компетенций НТИ на базе Сколтеха под руководством профессора Дмитрия Дылова в ходе исследований поняла, как можно с помощью искусственного интеллекта максимально полезно использовать данные фотоплетизмографии для уменьшения ошибки измерения артериального давления в носимых приборах.
Исследования осуществлены при финансовой поддержке НТИ. «Я очень рад, что под эгидой НТИ рождается целый ряд абсолютно новых прорывных проектов, в том числе в области искусственного интеллекта в медицине. В их числе разработка команды профессора Дылова, а также успешно завершенный проект «CoBrain-Аналитика» НТИ, флагманские наработки которого, как известно, составили основу создающейся экосистемы для развития искусственного интеллекта в здравоохранении России, которую координирует СберМедИИ», – комментирует Александр Кулешов, академик РАН и ректор Сколтеха.
Как поясняет Дмитрий Дылов, устройство на запястье измеряет не сам пульс, а пульсовую волну целиком, включая все ее изгибы формы, временные задержки и даже те абстрактные признаки, которые человеческому глазу недоступны, но зато «видны» нейронным сетям искусственного интеллекта. «В форме такой волны содержится много полезной информации, которую классические методы обработки сигналов раньше были не в состоянии уловить. В результате можно вычислить и вывести на экран показатели артериального давления с точностью, превосходящей точность измерения других компактных тонометров», – говорит ученый.
Для обучения нейронных сетей исследователи использовали как снятые датчиками показания из своей лаборатории, так и обширные данные из публично доступных источников. «Также в рамках соглашения со Сколтехом косвенно полезными данными – электрокардиограммой – с нами делится национальный кардиоцентр, за что им огромное спасибо», – отмечает Дылов.
На данный момент команда разработала набор алгоритмов, проведя колоссальную работу по сравнению существующих подходов для анализа данных фотоплетизмограмм, что позволило понять их ограничения и, соответственно, увидеть «нишу» для изобретений. «На данном этапе мы занимаемся настройкой и адаптацией алгоритмов для разных наборов данных и устройств. Также мы создали действующий прототип носимого тонометра для лабораторных испытаний и отработки взаимодействия программного обеспечения и аппаратного решения», – говорит главный инженер проекта Евгений Борисов.
«Наш ориентир – максимальная совместимость с устройствами и программными средами. В целом, конкуренцию на рынке выдерживают только те алгоритмы, которые изначально направлены на универсальность. Любой, кто уже пользуется смарт-часами, все поймет без дополнительных объяснений, увидев показатели давления на экране. Сами настройки могут быть разными. К примеру, замеры будут делаться с какой-то периодичностью или по требованию, а результаты могут храниться на устройстве, передаваться врачу или в центр управления медицинского учреждения. Но все это нюансы цифровых платформ и стандартов, частью которых становятся такие устройства», – добавляет Дылов.
Он отмечает, что уже сегодня публикуются научные статьи, в которых функциональное пульсирование крови на коже пациентов удается восстановить из аналитики простой видеосъемки. «Пока по точности измерения эти технологии далеки от совершенства, однако неоспорим интерес инвесторов, что неизбежно приведет к стимулированию разработок алгоритмов «удаленного сенсинга» и к появлению соответствующих продуктов в будущем», — заключает Дылов.
