Нейротехнологии: прикладной интерес
Версия для печати:
Медицина и здравоохранение. Нейротехнологии: прикладной интерес (PDF, 1.28 Мб)Прогрессивные системы регистрации мозговой активности
Электрическая активность нейронов отражает высшую нервную деятельность мозга (мышление, ориентация во времени и пространстве и пр.). Регистрация этой активности может происходить непосредственно – с помощью имплантируемых микрочипов. Но ввиду травматичности такого способа в исследованиях человека распространение получили неинвазивные техники записи нейрональной активности, как электрической (электроэнцефалография, ЭЭГ), так и метаболической (функциональная томография, фМРТ). Однако интерпретация нейрональных сигналов затруднена наличием «шума» (активности нецелевых нейрональных групп), а их запись – задержкой сигнала и стационарным характером записывающих устройств.
Решить проблему интерпретации нейрональной активности можно путем применения интегрированных вычислительных моделей, использующих техники обучения с подкреплением – новые статистические подходы к обработке данных томографии. Интерпретировать частные корреляции кластеров нейронной активации и осуществлять картирование мозга помогают методы машинного обучения. Новым шагом в развитии систем прямой регистрации мозговой активности стала так называемая нейронная пыль (neural dust) – наноразмерные сенсоры, способные не только считывать электрическую активность нейронов, но и транслировать ее на внешние, в том числе портативные устройства записи и декодирования сигналов мозговой активности.
Эффекты
Разработка гибких и точных методов биологической обратной связи на уровне отдельных нейронов (от клетки к клетке) |
Оценки рынка$1,46 млрд к 2020 году достигнет объем глобального рынка мозговых компьютерных интерфейсов (ожидаемый среднегодовой темп прироста объема рынка в период с 2014 по 2020 гг. – 11,5%). В 2013 году доля рынка неинвазивных мозговых компьютерных интерфейсов составила 85% от общего объема рынка мозговых компьютерных интерфейсов, и она продолжает расти.
|
Драйверы и барьеры
Реализация технологических инициатив и объединенных исследовательских программ (BRAIN Initiative, Human Connectome Project, Humane Brain Project) Развитие сенсорных технологий Развитие рынка нейроигровых приложений Запрос на технологии двойного назначения Низкий уровень междисциплинарности в исследовательских программах
|
Международные
|
Международные
|
Уровень развития
|
Гибкое управление функциями мозга
Управление функциями мозга экспериментальных животных традиционно опирается на использование имплантируемых металлических электродов. При глубокой стимуляции мозга они позволяют неспецифично контролировать мозговую активность и у человека (например, при болезни Паркинсона). Однако распространение этой технологии и ее широкое клиническое применение ограничено риском развития реакций иммунного отторжения, формирования рубцовой ткани, активации нецелевых нейрональных групп. Интерес к технологиям управления функциями мозга связан и с перспективами их возможного использования в немедицинских практиках, в частности в брейн-фитнесе.
Новые разработки в области малоинвазивных гибких электронных устройств регистрации мозговой активности позволяют успешно решать задачи целевого (на уровне нейронных сетей) и продолжительного по времени кодирования нейронального сигнала, а также терапевтической стимуляции мозга на основе получаемой информации. Однако действительный прорыв в изучении функций мозга и разработке способов контроля над ними должны обеспечить гибридные технологии, базирующиеся на использовании генно-инженерно-модифицированных нейронов, чувствительных к свету (оптогенетика), ультразвуку (соногенетика), магнитным полям (технология Magneto). Уже сейчас рассматриваются возможности применения этих технологий для восстановления зрения и контроля сердечной активности.
Эффекты
Переход к неинвазивным и беспроводным технологиям модуляции нейрональной активности |
Оценки рынка$19,5 млрд составят ожидаемые среднегодовые темпы прироста объема рынка стимуляторов крестцового нерва в период с 2014 по 2020 гг. В 2013 г. объем рынка технологий стимуляции спинного мозга достигал 2 млрд долларов, а общий объем рынка нейростимулирующих устройств – |
Драйверы и барьеры
Развитие сенсорики на основе нанотехнологий Запрос на новые методы лечения нейродегенеративных заболеваний Развитие рынка нейроигровых приложений Запрос на технологии двойного назначения Этические ограничения широкого применения технологий управления функциями мозга |
Международные
|
Международные
|
Уровень развития
|
Вернуть утраченное: трансплантация ткани мозга
Сегодня уже возможна трансплантация печени, почек, сердца, легких человеку, находящемуся в критическом состоянии. Однако мозг как управляющая система высшего порядка пока не подлежит замене. Пересадке донорских тканей мозга препятствуют высокая дифференцированность нервных клеток, иммунная несовместимость с чужеродными тканями, невозможность функциональной интеграции донорской нервной ткани. Попытки трансплантации отдельных клеток оказались малоэффективными ввиду низкой выживаемости нейронов. Решение было найдено в области тканевой инженерии (нейроинженерии).
Доставка и интеграция в тканевое окружение будущих нервных клеток с целью повышения их выживаемости была реализована благодаря применению технологии 3D-микропечати структурного аналога мозговой ткани с использованием собственных стволовых клеток, генетически перепрограммированных в нейроны. Эта трансформация стволовых клеток осуществляется с помощью различных технологий, наиболее перспективная из которых – редактирование генома. Накопление нейронов с последующим послойным формированием целевого фрагмента мозга позволяет воссоздать жизнеспособный и иммунологически нейтральный имплант. В результате имплантации новой ткани удается добиться воссоздания поврежденной ткани мозга, а значит, решить задачу лечения травматических повреждений мозга и таких не излечимых на сегодняшний день заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз.
Эффекты
Разработка новых методов лечения нейродегенеративных болезней и травм |
Оценки рынка$ 5 млрд к 2022 г. достигнет объем рынка тканевой инженерии в США. В 2014 г. он составлял около 2,5 млрд долларов, или половину объема глобального рынка. |
Драйверы и барьеры
Продолжение «декады нейронаук» (BRAIN Initiative, Human Connectome Project, Humane Brain Project) Развитие технологий нейропротезирования и тканевой инженерии, их широкое клиническое применение Этический кодекс, ограничивающий тестирование новых методов клеточной трансплантации у человека |
Международные
|
Международные
|
Уровень развития
|