Мозг на чипе: как нижегородские ученые объединяют биологию и электронику

Ученые Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского разрабатывают уникальные технологии на стыке биологии и микроэлектроники. Их цель – создание имплантируемых нейропротезов, способных замещать поврежденные участки мозга и восстанавливать утраченные функции организма.

Живые клетки и электроника в одном устройстве

В НИИ нейронаук и лаборатории мемристорной наноэлектроники ННГУ ведут работы по созданию полноценного электронного нейрочипа. Такая разработка сможет передавать сигналы живым клеткам и заменять поврежденные участки головного мозга после инсультов или травм.

Одно из ключевых достижений – создание биоподобного нейрона на мемристорах. Это микроэлектронный аналог живой клетки, в основе которого лежат мемристоры – миниатюрные элементы, способные одновременно выполнять функции и нейрона, и синапса. Они «запоминают» проходящий через них ток, максимально приближаясь по быстродействию и энергоэффективности к природным аналогам.

Параллельно реализуется концепция «лаборатории-на-чипе». С помощью микрофлюидных систем ученые выращивают живые нейронные сети на полупроводниковых подложках. Это позволяет живой нейросети и генератору искусственных импульсов работать как единое целое, причем биологические клетки могут управлять активностью искусственного нейрона.

Справка: Мемристор – это резистор с памятью, меняющий свое электрическое сопротивление в зависимости от прошедшего через него заряда. Если импульсы идут часто, «связь» укрепляется (как при формировании памяти в мозге), если редко – затухает.

Как реанимировали гиппокамп

Ученые университета совершили прорыв в лечении нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. Они записали биоэлектрические сигналы из здорового гиппокампа (отдела мозга, отвечающего за память и обучение) лабораторных животных и загрузили их в искусственную нейросеть.

ИИ научился прогнозировать паттерны электрической активности. В ходе экспериментов исследователи смогли успешно воспроизвести эти искусственные сигналы в поврежденном участке мозга и буквально «запустить» нерабочий гиппокамп. На базе этой технологии проектируется имплантируемый нейрочип для восстановления памяти.

Технология основана на двунаправленном электронно-биологическом интерфейсе. Вместо простой подачи тока, которая хаотично стимулирует все ткани, ИИ выступает в роли «переводчика» для живых клеток.

Процесс реанимации памяти делится на четыре этапа:

Запись «кода здорового мозга». Ученые исследовали здоровый гиппокамп (срез мозга лабораторных животных) in vitro. Когда мозг что-то запоминает, нейроны передают информацию упорядоченными пачками импульсов – паттернами. Исследователи записали тысячи таких сигналов, проходящих между различными зонами гиппокампа.

Обучение прогностической нейросети. Собранный массив данных загрузили в искусственную нейросеть. ИИ обучили прогнозировать электрическую активность: получая на вход сигнал из одной части мозга, он вычисляет, какой должна быть ответная реакция в другой зоне.

Моделирование и «подмена» сигнала. Когда участок гиппокампа поврежден, цепочка передачи импульсов рвется. В этот момент включается нейроинтерфейс: ИИ перехватывает первичный слабый импульс, достраивает его до параметров «здорового» паттерна и генерирует искусственный нейросигнал.

Точечный запуск (стимуляция). Смоделированный сигнал подается через микроэлектроды на поврежденный участок. Поскольку параметры импульса идеально скопированы с природного аналога, живые нейроны воспринимают его как «свой». Происходит «эффект домино»: искусственный сигнал заставляет выжившие клетки поврежденной зоны синхронно активироваться.

«Нам удалось воспроизвести сигналы, смоделированные нейросетью, в повреждённом участке», – отмечают исследователи.

Справка: В эксперименте задействованы зоны гиппокампа CA3 (отвечает за связывание воспоминаний и ориентацию) и CA1. Исследователи регистрировали активность аксонов области CA3, чтобы понять, как сигналы передаются в другие отделы.

Нейроинтерфейсы и адаптивная реабилитация

В сфере взаимодействия «мозг-компьютер» (BCI) университет создает неинвазивные системы. Разрабатываются программные комплексы для умных экзоскелетов, которые считывают намерения человека сделать движение. Если пациент парализован, но посылает мозговой импульс к действию, нейроинтерфейс улавливает этот сигнал и активирует приводы экзоскелета, помогая сделать шаг.

Это значительно ускоряет реабилитацию по сравнению с пассивными тренировками. Испытания роботизированного экзоскелета и систем нейроинтеграции ведутся в специализированной лаборатории биомеханики совместно с медиками Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ).

На первом этапе комплекс тестируют здоровые добровольцы (включая врачей-неврологов). Испытатель надевает экзоскелет и специальную шапочку с ЭЭГ- и миографическими датчиками. Специальные маркеры фиксируют углы движения, скорость и затрачиваемые усилия, дистанционно передавая параметры на компьютер.

Нейроинтерфейс считывает биосигналы (намерения и мышечные импульсы), а ИИ-программа мгновенно распознает команду: «хочу встать», «хочу сделать шаг». Моторы экзоскелета тут же приводят конструкцию в движение. Это заставляет атрофированные мышцы работать, восстанавливает кровообращение и «перезапускает» двигательные центры в коре головного мозга.

В рамках программы «Приоритет 2030» ученые ННГУ испытывают нейросети глубокого обучения. Система улавливает по ЭЭГ секундное падение фокуса внимания человека и посылает компенсирующий сигнал, помогая запустить реакцию до того, как человек совершит физическую ошибку. Это критически важно для пилотов, машинистов и операторов сложных производств.

«Важно, что мы впервые в России реализовали нейроинтерфейс на мемристорном устройстве, имитирующем принцип работы головного мозга», – рассказывает соавтор разработки Сусанна Гордлеева.

Справка: Эксперимент по реанимации гиппокампа проводился на срезе мозга лабораторных животных in vitro. Следующим этапом планируется переход к тестам на живых организмах (in vivo).

Нейроуправление роботами на мемристорах

Нижегородские физики первыми в России объединили мемристорные чипы с нейроинтерфейсами. Команды считываются со шлема ЭЭГ оператора, передаются по Wi-Fi на отечественную плату с мемристорами, которая обрабатывает сигналы со скоростью человеческого мозга и мгновенно корректирует движение робота.

В междисциплинарной кооперации учёные создали макет такой системы, где оператор управляет движениями робота с помощью моторного воображения. Сигналы мозга считываются классическим ЭЭГ-шлемом и поступают по вайфай на плату с мемристорным чипом, на котором команда обрабатывается и передаётся роботу.

Это первый в России случай применения мемристоров для подобных целей. Технология позволит усовершенствовать управление робототехническими комплексами с помощью сигналов мозга.

От лечения эпилепсии до протезов памяти

Проект реализован учеными лаборатории мемристорной наноэлектроники Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» и НИИ нейронаук ННГУ при поддержке Российского научного фонда. Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Chaos, Solitons & Fractals в 2025 году.

В исследовании были использованы мемристоры на основе стабилизированного диоксида циркония, созданные в лаборатории мемристорной наноэлектроники ННГУ. Прототипы мемристорных микросхем уже разрабатываются в лаборатории мемристорной наноэлектроники ННГУ совместно с технологическими партнёрами – НИИИС им. Ю.Е. Седакова (Научно-исследовательский институт измерительных систем).

«Мемристорные чипы, разработанные нашим коллективом, изготавливают в лаборатории мемристорной наноэлектроники ННГУ совместно с НИИИС», – сообщил заведующий научно-исследовательской лабораторией мемристорной наноэлектроники ННГУ Алексей Михайлов.

В НИИИС им. Ю.Е. Седакова подчеркивают важность сотрудничества с университетом. «С нижегородским Научно-исследовательским институтом измерительных систем им. Ю. Е. Седакова (НИИИС) мы освоили проектирование и изготовление пассивных элементов в интегральном исполнении в лабораторных условиях», – отмечают представители института. Это позволяет отрабатывать технологии на полупромышленном уровне перед серийным производством.

«Следующим шагом планируется построить нейросеть из 28 мемристорных нейронов на одном чипе для моделирования функциональности спинного мозга», – рассказал автор исследования.

Ученые ННГУ доказали, что искусственная нейросеть способна успешно заместить функции реальной живой ткани. Это открывает путь к созданию вживляемых нейропротезов памяти для людей, страдающих от последствий инсультов, тяжелых травм головы или болезни Альцгеймера.

Ранее мы рассказывали об арзамасском учителе, придумавшем букварь, который переиздавали больше 120 раз.

Фото: Magnific