Мозъчните импланти помагат и срещу депресия

Новата експериментална лаборатория в Института по информационни и комуникационни технологии на Българската академия на науките (ИИКТ) е създадена по проекта VIBraTE, финансиран по програма „Хоризонт Европа“. Той започва през февруари 2023 г. и продължава до 31 януари 2028 г. Негов ръководител е доц. Димитър Проданов от ИИКТ – БАН, и Центъра по наноелектроника Imec в Льовен, Белгия.

В лабораторията има експериментална установка, при която мозъчният имплант се потапя в конструкция от гел, който наподобява физико-механичните свойства на мозъка, и може да се тества неговата вискоеластика. Една от стените на кутията започва да трепти, при което се симулира

пулс, дишане, движение

и може да се види какво се случва с мозъка, когато човек ходи, диша и когато сърцето му работи. А посредством оптична установка, тоест микроскоп с голям мащаб, се наблюдава дифузията в мозъчни тъкани.

Това разказва Теодор Вакарелски от Института по информационни и комуникационни технологии, член на екипа на проекта. Неговата специалност е създаването на модели на взаимодействие между мозък и имплант, които математически предвиждат какво би се случило при подобна интервенция.

„Защо казвам вискоеластика – защото мозъкът има и вискозитет. Това е характеристика, която по някакъв начин затруднява движението през определена среда“, пояснява младият учен.

И дава пример: образно казано, ако разбъркаме чаша с чай с лъжичка, ще направим това с голяма лекота, тъй като водата е вещество с нисък вискозитет. Но ако вземем чаша, пълна с течен мед, ще имаме повече трудност. Това е характерно за вещество с много висок вискозитет.

„Съответно мозъкът също има вискозитет и е важно да са ясни вискоеластичните му свойства, за да може да се изследва правилно взаимодействието мозък – мозъчен имплант“, уточнява Теодор Вакарелски.

Пред екипа на проекта стои задачата да изследват това взаимодействие, защото

технологията с мозъчните импланти навлиза все повече в терапевтичната практика.

Причината е, че все още много хора по различни причини – например заради травма на гръбначния стълб, не могат да движат крайниците си. Но мозъкът им продължава да функционира качествено.

Подобен имплант може да получи необходимата информация от мозъка накъде човек иска да се движи. Тя се обработва от изкуствен интелект и човек може да се движи било с инвалидна количка, било с екзоскелет (външен скелет). Екзоскелетът е метална или титаниева конструкция около крайниците на човека, които се задвижват без човекът да използва мускулите си за тази цел. Достатъчно е да се предаде информация от мозъчния имплант към този екзоскелет, и той може да изпълни дадената команда. По този начин човек би могъл дори да пише на клавиатура. Реално при такива пациенти мозъчният имплант буквално може да ги върне към активен живот.

Изследванията по проекта са в напреднал стадий. Основното, което изследват учените, е дифузията около мозъчния имплант. Това е свързано пряко с вискоеластичността на мозъка и проблемите в момента при използването на мозъчен имплант.

Първият проблем е, че операцията е тежка и носи своите рискове. Вторият основен проблем е, че мозъчният имплант се явява чуждо тяло за организма и той се опитва да го отхвърли. За тази цел го обгражда със съединителна тъкан – т.е. капсулира го по някакъв начин. В първия етап това не пречи на импланта, но съединителната тъкан постепенно се удебелява. А в някакъв момент мозъчният имплант вече е обгърнат от толкова твърда и дебела преграда между него и мозъка, че не може да получава сигнали от невроните и вече не е функционален. Съответно трябва да се отстрани и да се сложи нов имплант. Разбира се, това налага нова процедура – тежка операция под пълна упойка.

Събеседникът ми обяснява, че в случая става дума за т.нар. дълбок мозъчен имплант, тъй като има още два вида мозъчни импланти.

„Ние се занимаваме само с дълбоки мозъчни импланти. Другите са по-близко до повърхността – плитки мозъчни импланти. Те представляват пластинка, която се поставя върху мозъка. А операцията е много по-лека“, пояснява Теодор Вакарелски.

Той отбелязва, че дори компанията на Илон Мъск Neuralink има робот, който прави операцията за имплантиране на плитък мозъчен имплант изцяло автоматично. Той обхваща по-голяма площ по гънката на мозъка, тоест по кортекса. Но не получава информация за това какво се случва в по-дълбоките структури на мозъка.

Третият вид импланти е съвсем различен. Той се вкарва през вена на врата, стига до мозъка и се разполага вътре. Това е изключително безопасна операция. Следи се достатъчен обем от мозъка, за да може да се получи необходимата информация.

„Разбира се, има и своите ограничения, ако трябва да се сравни с дълбок мозъчен имплант. Но пък е изключително лека и безопасна операция“, подчертава Теодор Вакарелски.

Младият учен работи по проекта вече трета година.

А след края на проекта дейността на лабораторията ще продължи и в нови направления. Учените ще работят по задачата да се намали създаването на съединителна тъкан около мозъка.

„Оказва, че дифузията в мозъка се моделира много по-сложно, отколкото класическата линейна дифузия. Класическият пример е Брауновото движение, което може да се наблюдава, когато в чаша с вода капнем капка мастило и то започва да се разпростира“, казва Теодор.

Подобно нещо се случва и със съединителната тъкан в мозъка. С тази разлика, че тя не се разпростира свободно, тъй като има мозъчни органели, които препречват пътя на съединителната тъкан, и съответно учените не говорят за линейна дифузия, а за дробна дифузия.

„Доц. Проданов е специалист точно в тази сфера с дробната дифузия и ние изследваме по какъв начин тази съединителна тъкан се разпростира в мозъка“, казва изследователят. Моделът е ясен, в него има сектор, в който се създава съединителна тъкан. Всичко това се случва около мозъка. После има момент на дифузия и накрая – оттичане на тези клетки.

„Реално тези клетки изчезват в околността на мозъчния имплант. И за жалост, скоростта, с която се произвеждат тези клетки, е по-висока, отколкото скоростта, с която се разпростират далеч от него“, разказва той.

Вследствие на това се получава акумулиране на съединителна тъкан около мозъчния имплант и се стига до момент, в който той става нефункционален. Решаването на този проблем е невероятно предизвикателство не само пред екипа наши учени, а пред всички техни колеги в света, които се занимават със задачата да се удължи експлоатационният живот на мозъчния имплант.

Разбира се, подобни операции не са толкова чести, имайки предвид риска, който се поема. Те се правят при изключителни обстоятелства и не са масова практика. Рискът от такава операция трябва да бъде оправдан с това, което човек ще получи. И ако човек няма пълна парализа на долната част на тялото, по-добре е да не се слага имплант. По принцип засега имплантът е краен вариант за лечение. Ако засегнатият човек може да движи ръцете си, не се препоръчва да се слага имплант. Но ако не може да ги движи, тогава трябва да се намери начин неговият мозък да предава команди до различни устройства, които да улесняват живота на пациента.

„На този етап на развитие на науката силно се надявам тази технология да стане още по-безопасна и да се прилага по-свободно. Но и намесата в мозъка е много деликатна работа. Въпросът е какво ще получи човек като ползи от подобно решение“, подчертава Теодор.

Отбелязва още, че освен за някои парализи има и друго приложение на мозъчните импланти. Установено е, че при клинична депресия определена част от мозъка става неактивна. Може да се каже, че на практика тази част заспива и ако се стимулира по правилен начин, отново става активна. А ако това се прави достатъчно дълго, в някакъв момент ще отпадне и необходимостта от такава стимулация. Тоест при клинична депресия, вместо да се изписват медикаменти, които в повечето случаи водят до зависимост, би могло да се приложи стимулиране чрез мозъчен имплант, вследствие на което на практика да се стигне и до излекуване.

Възможно приложение на подобни импланти има и при епилептици. При тях е изключително важно да може да се определи кога ще настъпи епилептичен шок, за да не шофират например в този момент или да избягват рискови занимания. Малко преди да се случи епилептичен шок, в мозъка се получава пълна десинхронизация. Сигнали има, има и информация, която може да се прочете от мозъчния имплант, и човекът да получи съобщение да очаква шок например след трийсет секунди или минута.