Учен, допринесъл за патент на връзка между човешки нерви и електроника, изгражда в София лаборатория по невротехнологии. До края на годината в нея започват да изследват взаимодействието на мозъка с имплантирани електроди.
Как ще става това и киборги ли ще излизат от лабораторията, разказа пред Dir.bg и 3eNews нейният създател доц. Димитър Проданов - медик и информатик, изследовател в една от водещите в света научни организации в областта на наноелектрониката и цифровите технологии - Междууниверситетския център за микроелектроника IMEC и изследовател в Института по информационни и комуникационни технологии (ИИКТ) на БАН.
- Доц. Проданов, създавате лаборатория по невротехнологии в България, разкажете на какъв етап е?
- Набираме екипа в момента. Лабораторията е част от проекта VIBraTE, с който спечелихме финансиране от ЕК и вече се изгражда в рамките на ИИКТ. Плановете ни са да заработи още тази година. Проектът е за 5 години и преди да изтече ще има теоретични резултати, а експерименталните ще дойдат 2 - 3 години след като заработи лабораторията.
- Нови имплантируеми устройства ли ще правите?
- Ние не можем да направим нещо конкурентно на IMEC и други групи с десетилетен опит. Моята идея е ние да изследваме въпроси, които те нямат време и капацитет да изследват, т.е. ние да се позиционираме като партньор в екосистемата на невротехнологиите. В лабораторията ще се моделират и изследват свойствата, геометрията и механичните ефекти при взаимодействие на мозъка с имплантирани електроди.
Вибрациите, както подсказва абревиатурата на наименованието на проекта VIBraTE (вибрация), ще се изследват основно, тъй като това е проблем, който се неглижира в литературата, а изисква по-комплексен подход.
Ние ще изследваме как движенията на мозъка въздействат върху електродите и обратното. Ще се направят 2 изследователски установки, които специално това нещо да го мерят. Ние ще моделираме процеса и установките, за да сме сигурни, че това, което мерим има смисъл и в резултат на този процес вече данните, които се получат, ще са меродавни и за ситуации, в които ние нямаме директен достъп, като човешкия мозък. Ние няма да тръгнем да имплантираме нещо на пациенти, ние ще работим в модели - ще експериментираме в обекти-фантоми.
Фантомът е опростена система, примерно фантом на човешки мозък е гел със съответния, размер, плътност и други характеристики. Може да се направят тук разнообразни по сложност фантоми, в зависимост от това какво конкретно искаме да измерим. Има групи в Института по полимери, както и фирми, които се занимават с биопринтиране. Те имат това ноу хау да направят гел по определена спецификация. Ще им дам спецификацията и ще имаме "мозък" за съответния експеримент.
- С какви импланти ще експериментирате?
- Ние ще използваме съществуващи дизайни на силициеви електроди - те са за животни. Ще използваме дизайни и за хора, които са за дълбокомозъчна стимулация - това са твърди метални електрорди. Ще използваме и нещо интересно, като конструкциите на Мъск - гъвкави електроди, които обаче ние ще моделираме.
- Суперкомпютърът на ИИКТ влиза ли в програмата ви?
- Моделите може да се разработят на лоптоп, но за да станат всички сметки в разумно време, трябва да се използва суперкомпютър и мисля че "Авитохол" ще използвам, тъй като това е част от Института. За анализ на данни определено може да се използва изкуствен интелект, но не ChatGPT, а друг. Ще имаме и елемент на компютърни симулации. Те са много ценни, ако се интерпретират правилно, т.е. ако правилно се вземат под внимание всички гранични условия. Затова е важно да сравняваме с някакъв експеримент и ще преценим доколко нашите модели са добри. Имаме обратна връзка между моделиране и фантом.
- Какви са приложенията на мозъчните импланти, засега?
- Неинвазивни, като лепенки, са само ЕЕГ-електродите. Има доста компании, които правят ЕЕГ-шапки - примерно има игри на базата на такива шапки, има и за релаксация. Човек, ако има някакви проблеми със съня - слага това нещо и слуша музика. ЕЕГ шлемове се предлагат в Амазон със съответната програмка и като си я инсталираш тя ти чете ЕЕГ от 4 канала. То е малко шумно, но става за някои приложения, примерно да разбере дали мозъкът ти е в Алфа или в Бета ритъм и може да ти покаже съответни картинки, звуци, прожекции, така че да си оправиш настроението. Това, между другото, помага на хиперактивни деца да си фокусират вниманието.
От останалите - инвазивните, едни от най-добрите приложения са вагусовите електроди - маншети, които се импанетират в шията, като се завиват около самия вагусов нерв, който контролира вегетативната нервна система. Това е доста ефективно например за рефракторна депресия (депресията, която не отговаря на обичайните фармакологични лечения). За преодоляване на парализа, например, по школите на проф. Мигел Николелис или проф. Донахю, се имплантират електроди в мозъчната кора, където се декодира движението и след това се имплантират електроди на нивото на гръбначния мозък, които стимулират мускулите.
- Няма ли опасност от странични ефекти?
- Не директно. Наблюдават се промени в кръвообращението, но това са локални ефекти. Ние точно това ще изследваме. Ще тестваме тези теоретични предсказания с експериментални данни, които вече има в литературата. Установено е, например, че около електродите се получава нещо като атрофия на тъканта. Образува се и цикатрикс - белег. Ето миналата година си порязах пръст - получи се на зарасналото място особена тъкан, но за мозъка тя е по-специфична.
Опасността е от засягане на кръвоносен съд при имплантацията и евентуален кръвоизлив, така че колкото е по-малко устройството и прецизен контролът в самата операция, толкова по-нисък е рискът.
- Показахте в БАН илюстрация как човек с имплант в главата прави връзка с очите и вижда движението на компютърната мишка, това реалност ли е вече?
- Още не я вижда. Има такива протези още от 80-те години, но те използват електроди, които според мен, увреждат доста тъканта. Това, според мен, е образец на неуспешна протеза. В нея са вложени много пари, но за мен идеята не работи по този начин. Аз затова ползвам друг подход - подход, с който в проекта опитваме да изясним как взаимодействат електродите с мозъка. След като изясним въпроса, ние може да проектираме по-добри геометрии на тези електроди. Материалите ще дойдат като резултат на изисквания. Ние ще произведем спецификации, грубо казано.
- С идеята да се осъществи връзката: мозък - компютър ли?
- Да, но това не е в конкретните рамки на проекта ни. Това може да бъде паралелна или последваща дейност, ако привлечем финансиране от индустрията и вече специализирани инструменти.
Целта на нашия проект е да изгради капацитет, да покълне семенцето от пръстта. Ако правим, примерно продукт за лечение на епилепсия, той няма да чете задни мисли - той ще разпознава потенциално епилептичен припадък и ще стимулира мозъка така, че да се потисне това нещо.
Ако правим продукт, свързан с вагусовия нерв, това е съвсем различна технология, не казвам, че ще го правим, само отбелязвам, че тогава ние просто ще стимулираме по определена схема, защото там няма нужда да се чете някаква обратна връзка. По отношение на паркинсоновата болест има много какво да се желае, относно твърдите електроди - да се направят гъвкави, което още не се прави от индустрията, защото не се осъзнава важността на проблема. Така че, ако направим такива гъвкави електроди в колаборация с фирми, които да ги произвеждат, това ще бъде голям успех.
Ние работим на нива - концептуализация, математически модел, демонстрация във фантом. Оттам нататък трябва друга дейност, друг проект или партньор, комерсиален или научен, който това нещо да го конкретизира като съответен прототип и технология, за да се стигне до продукт, който да е наличен на пазара.
- Имате принос за два патента, разкажете?
- Приносът не е само мой. И двете разработки са резултат на екипна работа и са интелектуална собственост IMEC. Единият патент беше за изгражданe 3D система от култивирани тъкани - "резенчета" от мозък за тестване на различни субстанции. Това нещо започва да набира популярност като in vitro системи, които да намалят употребата на опитни животни. Как се прави по настоящем - взимат се човешки стволови клетки и се индуцират в изграждане на съответните тъкани.
В момента се разработват т.нар. алтернативи на тестването върху животни, защото в психиатрията и неврологията имаше няколко звучни провала на субстанции, които са разработвани в животни, пък не работят при хора и се преценява, че е по-добре да се работи в човешки тъкани, човешки индуцирани структури, отколкото на някакви животински. Виждам, че 10 години, след като хвърлихме семенцето започват да се използват такива неща.
Другият патент е за няколко технологии за интерфейс - за култивиране на клетки, които може да са ГМО и да правят някакъв вид междинно свързване между електроника и нервна система. Направихме няколко концептуални дизайна как това ще стане в централната нервна система, в периферната нервна система и това започва да се реализира.
- Продуктът на лабораторията, която тук създавате по европейския проект, чия собственост ще бъде - на IMEC, на ЕК, или българска?
- ЕК няма собственост върху продуктите, те са на изпълнителите. Тя ги финансира безвъзмездно, т.е. произведената интелектуална собственост ще е наша - на българския Институт по информационни и комуникационни технологии.
- Имахте ли голяма конкуренция?
- Да. Това беше общоевропейски конкурс за страните от групата за "разширяване на участието в европейското научно пространство" - Източна Европа плюс Кипър, Гърция и Португалия. Това е специален инструмент, с който ЕС дава възможност на странитекато България, които дават повече пари, отколкото получават, да привлекат водещи изследователи, да изградят научни групи, които да ги направят по-конкурентоспособни. Целта е да се изгради капацитет, който да позволи както допълнително финансиране от страна на ЕС, така и взаимодействие с местната и европейска индустрия, които да способстват по-нататъшното развитие. Това е шанс, който се дава от ЕК на конкурентни начала.
- Как стои България в сектора на невротехнологиите?
- Има някакви дейности, но те са много фрагментарни, този проект е най-същественото. С моята поява се опитвам да катализирам нещата. Разбирането как имплантираните електроди взаимодействат с мозъчната тъкан ще помогне да се увеличи максимално потенциалът на технологията. Тук има школа и по неврохирургия, и по сърдечно съдова, а и колегите са по-склонни към иновации, отколкото в други страни. Можех и другаде да реализирам идеята си, но прецених, че е по-добре в България. Аз станах член на Клъстер "Изкуствен интелект" в България. Забелязвам интерес от страна на фирмите, които се занимават с изкуствен интелект, макар да не сме толкова близки в тематично отношение. Има фирми, които са заинтересовани от приложенията на невротехнологиите, има и такива, които работят в областта на прецизни сензори, които също проявяват интерес. В някои от експериментите ние точно това планираме да мерим - малки сили, малки отмествания.
- Очаквате ли реакции от типа: Ето, създават киборги?
- Имам един добър приятел в IT сектора и когато тръгвах към Холандия и му споделих каква ще ми е дисертацията, той точно така изреагира - "а, значи ти ще правиш мишки-киборги". Още не съм ги направил, но съм все по-близо към целта. Даже на защитата си ползвах един кадър от "Междузвездни войни" - отрязаната ръка на Дарт Вейдър със стърчащите жички и казах - това искаме да направим, но още не сме стигнали дотам. Ние правим опитни постановки, не правим киборги. Хората четат научна фантастика, то е хубаво, но ние въобще не сме на такъв етап.
Доц. Димитър Проданов след като завършва "Хуманна медицина" в МУ -София, започва научна кариера в Нидерландия, става стипендиант на Международната организация за изследване на мозъка (IBRO), провежда изследвания в областта на невронауките в белгийски университети, а от 2008 г. е на научна работа в Interuniversity Microelectronics Centre - IMEC, където изследва дълбокомозъчна стимулация и записи с висока плътност от мозъка. Асоцииран изследовател е в института Neuroelectronics Research Flanders. Доц. Проданов има приноси за 2 патента и множество разработки в сферата на нанотехнологиите, изчислителната биология и терапевтичната модулация на мозъчната активност. От 2009 г. работи и в новата научна област "невроинформатика". Той е изследовател и в ИИКТ на БАН, където в момента изгражда новата лаборатория по невротехнологии.