Нейроинженерия - Биологический факультет МГУ

МГУ имени М.В.Ломоносова биологический факултет
Межфакультетские учебные курсы МГУ 2015/2016
25 ноября 2015 г, аудитория ББА, 15:10
Нейроинженерия (Neural engineering):
элементы будущих нейротехнологий.
Часть 1.
Александр Каплан
д.б.н., профессор, зав.лаб. нейрофизиологии и
нейрокомпьютерных интерфейсов
Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
Сайт лаборатории:
http://brain.bio.msu.ru/
1 Introduction to Neurophysiology
2 Brain–Computer Interfaces
3 Neurorobotics: Opening Novel Lines of Communication Between
4 Decoding Algorithms for Brain–Machine Interfaces
5 EEG Signal Processing: Theory and Applications
6 Neural Modeling
7 Neural Modelling: Neural Information Processing
8 Bidomain Modeling of Neural Tissue
9 Transcranial Magnetic Stimulation
10 Managing Neurological Disorders Using Neuromodulation
11 Functional Magnetic Resonance Imaging
12 Electrophysiological Mapping and Neuroimaging
13 Exploring Functional and Causal Connectivity in the Brain
Bin He (Ed.)
14 Retinal Bioengineering
2nd ed. 2013,
15 Retinal Prosthesis
p. 308 Springer
16 Neural Interfacing with the Peripheral Nervous System:
17 Seizure Prediction .
18 Reverse Engineering the Brain: A Hippocampal Cognitive Prosthesis
for Repair and Enhancement of Memory Function
19 Neural Tissue Engineering
15, 466–481 (2014)
11 June 2014
Grid cells and cortical representation
(Клетки решетки и репрезентация пространства на
корковых нейронах)
Edvard I. Moser,
Yasser Roudi,
Menno P. Witter,
Clifford Kentros,
Tobias Bonhoeffer
& May-Britt Moser
Нобелевская премия 2014 за открытие мозговой GPS !
John O’Keefe
Edvard and May-Britt Moser
Две биологические суперструктуры…
Три миллиарда пар нуклеотидов – биологическая индивидуальность
86 миллиардов нейронов – психическая индивидуальность
Миллион миллиардов синапсов (контактов)
Элемент 1. Перевернутый мир – пластичность мозга
Джордж М. Стрэттон в
Калифорнийском
университете в 1897 году
исследовал эффекты,
возникающие при
длительном ношении очков,
перевертывающих
зрительный мир.
секунды
Опыт
Ф. В. Снайдера и
Н. X. Пронка, 1952
Перевернутый мир
Элемент 2. «Перевернутый» мозг - анатомия
Дистрофия сетчатки
В последние годы дистрофические
поражения сетчатой оболочки
становятся одной из ведущих причин
слабовидения и слепоты, отличаясь
медленным неуклонно
прогредиентным течением и
прогрессивным снижением
зрительных функций
Элемент 2. «Перевернутый» мозг - функция
свет
Декодерстимулятор
Электростимуляция
Элемент 2. «Перевернутый» мозг - технология
Матрица
электродов
Декодерстимулятор
Видеокамера
Элемент2. «Перевернутый» мозг - техника
3 November 2010 Proceedings B is the Royal Society's
Subretinal electronic chips allow blind patients to read letters
Eberhart Zrenner,* Karl Ulrich Bartz-Schmidt, Heval Benav, Dorothea Besch, Anna Bruckmann, Veit-Peter
Gabel, Florian Gekeler, Udo Greppmaier, Alex Harscher, Steffen Kibbel, Johannes Koch, Akos Kusnyerik,
Tobias Peters, Katarina Stingl, Helmut Sachs, Alfred Stett, Peter Szurman, Barbara Wilhelm, Robert Wilke
Элемент 2. Перевернутый мозг - практика
Исследователи из
университета
Тюбингена (Universität
Tübingen) и
специалисты немецкой
компании Retina
Implant разработали
чип имплантат,
способный вернуть
зрение ослепшим
людям.
Клинические испытания на пациентах с дегенерацией клеток сетчатки
показали, что имплант позволяет в большинстве случаев определять не только
форму и яркость различных объектов, но и даже различать некоторые
предметы. А один из 11 пациентов с чипом-имплантом, Миикка Терхо (Miikka
Terho) смог даже прочитать свое имя.
Элемент 2. Перевернутый мозг - медицина
Элемент 3. Перевернутые ощущения - идея
Brain-port Vision - «Мозговая розетка для зрения".
Paul Bach-y-Rita in 1969:
«…you don't see with the eyes. you see with the
brain," .
Видеть спиной !
Видеть языком !
Mind chair
Пол Бачирита (Paul Bach-y-Rita),
Университет штата Висконсин
Лаборатория тактильного восприятия
Элемент 3. Перевернутые ощущения - практика
Tactile vision substitution system (TVS), или
"система тактильно-визуального замещения"
Элемент 4. «Перевернутые» нейроны - идея
Как сделать светочувствительными обычные нейроны?
Элемент 4. Оптогенетика – ключ к оптическому
контролю нейронных сетей
The Perl prize carries a $10,000 award and is given to
recognize a seminal achievement in neuroscience.
2012 - “Development and application of optogenetics
for studying neural circuit functions.”
Karl Deisseroth, MD, PhD,
Edward Boyden, PhD
Feng Zhang, PhD.
Stanford University and MIT
свет
С помощью вирусного носителя внедрили в
нейроны мозга млекопитающих ген
каналородопсина-2 (ChR2) - белка водорослей,
формирующего светочувствительный ионный
канал. Нейроны стали активироваться под
воздействием света!
« Late at night, around 1 a.m. on August 4, 2004, I went into the
lab, put a dish of cultured neurons expressing channelrhodopsin-2YFP into the microscope, patch clamped a glowing neuron, and
triggered the program that I had written to pulse blue light at the
neurons. To my amazement, the very first neuron I patched
(Figure 2) fired precise action potentials in
response to blue light..». - By Ed Boyden…
Пример 4. «Перевернутые» нейроны – нейроны «видят»!?
Retinal prosthetic strategy with the capacity to restore
normal vision Sheila Nirenberg1 and Chethan
Pandarinath А computational neuroscientist at Weill
Cornell Medical College PNAS September 11, 2012
vol. 109 no. 37
Худшее изображение – при обычном методе
Исследователи заставили нейроны
воспринимать световую информацию
без палочек и колбочек , подсадив
светочувствительный белок на
мембрану ганглиозных клеток
сетчатки!
стимуляции; среднее изображение – при
стимуляции с опорой на код сетчатки;
реальное изображение
После определенных лабораторных манипуляций, ученые пришли к
выводу, что мышь прозрела и не только видит очертания предметов, но
различает мелкие детали. И, по всей видимости, мышка неплохо
различала и движущиеся предметы.
Элемент 5. Перевернутый мозг – новая память?
Steve Ramirez and
Xu Liu from RIKEN-MIT
Science 26 July 2013: Vol. 341 no. 6144 pp. 387-391
Creating a False Memory in the Hippocampus
A
Экспрессию (ChR2)
гена связали с
экспрессией генов
обучения (с-fos). В
результате думали
получить
чувствительные к свету
именно те цепочки
нейронов, которые
связаны с выработкой
конкретного навыка
или с конкретным
опытом.
B
C
Элемент 5.«Вспомнить все» ?
Steve Ramirez Xu Liu, RIKEN-MIT Center for Neural
Circuit Genetics at the Picower Institute for Learning and
Memory, Department of Biology and Department of Brain
and Cognitive Sciences, Massachusetts Institute of
Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
Ученые подчеркивают: несмотря на успех их эксперимента, речь даже
гипотетически не идет, например, о «пакетном» внедрении знаний или
навыков, как в фильме Матрица, или тотальной замене памяти на ложную,
как в блокбастере «Вспомнить все».
Однако технология в недалеком будущем способна помочь людям,
страдающим от посттравматического синдрома и других душевных
расстройств, связанных со слишком болезненными событиями в прошлом.
Элемент 6. Нейроны памяти
Moran Cerf, et al., On-line, voluntary control of
human temporal lobe neurons, Nature 467(7319),
1104-1108, 2010
Произвольное управление нейронами височной
доли в реальном времени!
Marilyn Monroe - Josh Brolin
Доктор Моран
Серф (Moran
Cerf)
Калифорнийский
технологический
институт
Элемент 6. Нейроны памяти
Moran Cerf, et al., On-line, voluntary control of
human temporal lobe neurons, Nature 467(7319),
1104-1108, 2010
Произвольное управление нейронами височной
доли в реальном времени!
Marilyn Monroe - Josh Brolin
Доктор Моран
Серф (Moran
Cerf)
Калифорнийский
технологический
институт
Элемент 6. Чтение мыслей по Серфу ???!
Элемент 7. Мультиэлектродный порт
By documenting the firing
patterns of 1,874 neurons, the
Duke team (Nicolelis et al)
recorded its largest sample of
brain electrical activity
produced by populations of
single neurons
Элемент 8. Мозгоуправляемый экзоскелет.
Нероинтерфейсы
The «Walk Again Project™»
aims to unveil the first
version of this exoskeleton
in the opening ceremony of
the FIFA Soccer World Cup
in June 2014
Scientific American February
2011 Volume 304, Number 2
Биологические структуры между электродом и
поверхностью коры головного мозга
На пути к
неинвазивному
нейроинтерфейсу
Элемент 11. НЕЙРОПРОТЕЗЫ
T. W. Berger
Neuronal Engineering, 2013
J. Neural Eng. 8 (2011)
J. Neural Eng. 9 (2012)
Элемент 9. НЕЙРОПРОТЕЗЫ
Reverse Engineering the Brain
Theodore W.
Berger
Professor
Biomedical
Engineering
Viterbi School of
Engineering LA
Элемент 12. НЕЙРОВИДЕНИЕ
Di Dio C, Macaluso E, Rizzolatti G (2007)
The Golden Beauty: Brain Response to
Classical and Renaissance Sculptures.
PLoS ONE 2(11): e1201.
Brain activation of canonical and
modified sculptures vs. rest. The
analysis was carried out by averaging
activity across the three
experimental conditions (observation,
aesthetic judgment, proportion
judgment).
Элемент 12. Нейросинема
Shinji Nishimoto Jack Gallant Berkley University in California
Current
Biology
21,
1641–
1646,
October
11, 2011
Элемент 13. Нейропрогноз
Chun Siong Soon, Marcel Brass, Hans-Jochen Heinze & John-Dylan Haynes
Unconscious determinants of free decisions in the human brain.
Nature Neuroscience April 13th, 2008.
Д-р Джон-Дилан Хайнес
(John-Dylan Haynes )
Humboldt-Universität
Berlin
Tusche A, Bode S, Haynes JD.
Neural responses to unattended products predict
later consumer choices. Neurosci. 2010 Jun
9;30(23):8024-31.
Kahnt T, Heinzle J, Park SQ, Haynes JD.
The neural code of reward anticipation in human
orbitofrontal cortex. Proc Natl Acad Sci U S
2010
A.
Как долго все может продолжаться?
(PNAS 2013 ; February 25, 2013)
Mouse Brain Cells Implanted Into Rats Survived As Long
As The Rats Did, Double The Average Mouse Lifespan!
Lorenzo Magrassi, Ketty Leto, and
Ferdinando Rossi Lifespan of
neurons is uncoupled from
organismal lifespan (PNAS 2013 ;
February 25, 2013) University of
Turin, Italy
Neurons in mammals do not undergo replicative aging,
and, in absence of pathologic conditions, their lifespan is
limited only by the maximum lifespan of its own or
another organism or….