Проектът VIBraTE в Института по информационни и комуникационни технологии на БАН търси отговор на един особено важен въпрос, от който зависи бъдещето на мозъчните импланти: как мекият и непрекъснато движещ се мозък може да съжителства години наред с изкуствено устройство в себе си.
Противно на представите на мнозина, мозъкът не е неподвижен орган, затворен в черепа. Той помръдва с всеки удар на сърцето, с всяко вдишване, с всяко завъртане на главата. Ние не усещаме тези малки движения, но за електрода, поставен в мозъчната тъкан, те означават, че имплантът и тъканта около него непрекъснато се изместват една спрямо друга – денем и нощем, месеци и години наред.
Именно върху това незабележимо, но постоянно взаимодействие, се фокусира VIBraTE. С този проект Институтът по информационни и комуникационни технологии (ИИКТ) на БАН изгражда собствена лаборатория по невротехнологии. Проектът се ръководи от доц. д-р Димитър Проданов и е финансиран с 2 милиона евро от Европейската комисия по програмата ERA Chair на „Хоризонт Европа“. Той е един от едва четирите проекта от този тип, стартирали в България през 2023 г. Работата по него започна на 1 февруари 2023 г. и ще продължи до 31 януари 2028 г.
Научната цел е да се моделират и изследват свойствата, геометрията и механичните ефекти от взаимодействието на мозъка с имплантираните електроди. Зад тази формулировка стои въпрос с огромно практическо значение – колко дълго и колко надеждно може да работи едно устройство, поставено в мозъка, и какво може да се направи, за да работи по-дълго.
Защо поставяме електроди в мозъка
Невротехнологиите съчетават знания от невронауките, инженерството и компютърните науки, за да създават инструменти и устройства за изучаване и модулиране на нервната система. Екипът на VIBraTE вижда в тях потенциал да променят разбирането ни за мозъка и да подобрят диагностиката и лечението на неврологични и психиатрични заболявания. Две от най-известните им приложения са интерфейсите мозък–компютър и дълбоката мозъчна стимулация.
Интерфейсът мозък–компютър (BCI) позволява на мозъка да управлява компютър или протеза пряко, без участието на мускули и периферни нерви. Системата записва мозъчната активност, анализира сигналите и ги превръща в команди. Електродите могат да са поставени върху скалпа (неинвазивен интерфейс) или имплантирани директно в мозъка (инвазивен). Точно инвазивните невронни протези са във фокуса на VIBraTE: според екипа, по-доброто разбиране на това как имплантът взаимодейства с мозъчната тъкан е ключът към пълния потенциал на тази технология.
Дълбоката мозъчна стимулация (DBS) е хирургична процедура, при която в определени области на мозъка се поставя невростимулатор (тъй нареченият „мозъчен пейсмейкър“): слаби електрични импулси модулират анормалната мозъчна активност и облекчават симптомите. Методът се използва преди всичко при двигателни нарушения като болестта на Паркинсон, есенциалния тремор и дистонията, а е обещаващ и при епилепсия, обсесивно-компулсивно разстройство, синдром на Турет и някои видове хронична болка. Предимството му е, че е обратимо и регулируемо – параметрите на стимулацията могат да се променят. В интервю за вестник „Азбуки“ през август 2026 г. ас. Теодор Вакарелски от екипа на проекта посочва, че освен при парализа мозъчните импланти намират обещаващи приложения и при клинична депресия и епилепсия.
Идеята за връзка между мозъка и чип не е нова. През 2024 г. в предаването „Бизнес старт“ по Bloomberg TV Bulgaria доц. Проданов коментира първите успехи на Neuralink и припомни, че те продължават традиция от последните 20–30 години, а първата имплантация в мозъчната кора е извършена още през 2004 г. от компанията Cyberkinetics. Като най-съществена новост той открои роботизираната хирургия и гъвкавите електроди, които са много по-малко травматични за мозъка. От тях се очаква по-стабилен интерфейс, тоест по-устойчива връзка между мозъка и електродите. Според него, за да се превърне успешният тест в широко използвана технология, пациентите трябва да бъдат наблюдавани поне две–три години. И тук отново се стига до въпроса за дълготрайността на имплантите.
Чуждото тяло и неговият белег
За мозъчната тъкан всеки имплант е чуждо тяло. Неговото присъствие, заедно с механичното му взаимодействие с околната тъкан, с времето води до отделянето и разпространението на различни биохимични вещества. Възпалителните клетки около импланта могат да поддържат трайна разлика в концентрацията на тези вещества, която променя поведението на другите клетки около тях.
Резултатът е преустройство на извънклетъчния матрикс – средата, в която са потопени клетките, и глиоза (процес на разрастване на поддържаща глиална тъкан в мозъка, която образува подобие на белег на мястото на увредени или мъртви невронни клетки). Просто казано, съединителна тъкан постепенно започва да обгражда импланта, докато в един момент той не спре да работи. Електродът, който е трябвало да „слуша“ невроните или да ги стимулира, се оказва изолиран от тях.
Затова екипът на VIBraTE търси начини да се предвиди как протича това взаимодействие и как може да се удължи работният живот на имплантите. Инструментът за това са математически модели на едно особено свойство на мозъка – вискоеластичността.
Нито твърдо, нито течно
Така наречените вискоеластични материали при деформация се държат едновременно като течност и като еластично твърдо тяло. Много биологични тъкани са такива заради сложния си строеж. Под постоянен товар те постепенно се деформират (пълзящ ефект), а при постоянно разтягане напрежението в тях с времето намалява. Реагират различно при натоварване и разтоварване, както и в зависимост от това колко често се прилага силата. Мозъчната тъкан, подложена на ритъма на кръвообращението и дишането, е точно такава среда. Затова разбирането на вискоеластичните свойства на тъканите е важно за разработването на медицински устройства и лечения.
Изследването във VIBraTE е подредено в четири направления, всяко от които осветява различна страна на съжителството между мозък и имплант.
Вискоеластично свързване. Първото направление изследва механичната връзка между импланта и мозъчната тъкан и нейното влияние върху преустройството на извънклетъчния матрикс и глиозата. Учените започват от прости компютърни модели на мозъка по метода на крайните елементи и постепенно добавят анатомични детайли. Целта е да се предскаже как кръвообращението, завъртането на главата и дишането изместват импланта в реалистична форма на главата. Същите ефекти ще бъдат изследвани и с вискоеластични модели от дробен ред, които използват инструментите на дробното смятане.
Геометрия на електрода. Следващото направление търси най-добрата форма на границата между електрод и тъкан. Изследват се електроди с различна геометрия – с издадени страни, които навлизат в тъканта, или с отвори. Мекотата на материала играе важна роля за биосъвместимостта, но се оказва, че ефектът има таван: след дадена граница по-мекият материал вече не носи осезаема полза. Това прави формата на електрода още по-интересен въпрос.
Дифузия в мозъчната тъкан. Това направление следи пътя на веществата, които се отделят около импланта. Биологичните тъкани са пореста среда, в която преносът се дължи както на дифузия, така и на течения. Класическият начин да се опише този процес е чрез извитостта на пътищата в тъканта, а алтернативният – отново чрез дробното смятане. Екипът ще изследва система от две области с цилиндрична геометрия, в която веществата едновременно се разпространяват и встъпват в реакция. За нея се разработват аналитични подходи, които по-късно ще бъдат пренесени в числени модели по метода на крайните елементи.
Какво чува електродът. Тук се пита как деформациите на тъканта променят самите сигнали, които учените записват. В компютърен модел мрежа от импулсни неврони се свързва с модел на нееднаквата електрична проводимост на тъканта. Моделираните неврони се изместват така, както би ги изместила пулсацията на сърцето и дишането, а формата на записаните импулси се сравнява с тази при неподвижна тъкан. Очаква се тези движения да се отразят върху различни алгоритми за сортиране на импулсите, с които неврофизиолозите разпознават сигналите на отделните неврони. Ако това се потвърди, то ще е важно и за точността на бъдещите интерфейси мозък–компютър.
От уравненията до лабораторията
Поведението на мозъчната тъкан зависи не само от моментното натоварване, но и от неговата история, а веществата около импланта се разпространяват по извити пътища в пореста среда – именно такива ефекти на паметта описва дробното смятане. Затова екипът го използва, за да строи вискоеластични модели от дробен ред за изместването на импланта и да описва дифузията в тъканта около него.
Моделите обаче трябва да бъдат проверени дали работят и на практика. През ноември 2024 г. VIBraTE обяви партньорство с българския стартъп MatriChem, който разработва и произвежда биомастила и биосмоли за 3D биопринтиране. Шестмесечното проучвателно сътрудничество преди това е потвърдило потенциала на една идея: мозъчен фантом от хидрогел, който възпроизвежда вискоеластичните и дифузионните свойства на живата тъкан. В такава реалистична среда материалите за импланти могат да се изпитват и усъвършенстват. Основателят на MatriChem д-р Мурад Реджеб е част от екипа на VIBraTE и, както разказа в „Бизнес старт“, целта е лаборатория, в която да се създават, валидират и изпитват нови материали и електроди за мозъка – сред тях и биоразградими електроди и гъвкави материали.
Лаборатория, която да остане
ERA Chair проектите имат дългосрочна цел: да помогнат на научната организация да привлича и задържа висококвалифицирани изследователи, да повиши качеството на изследванията си и международната си видимост. VIBraTE финансира докторски и постдокторски проекти, мобилност и обучения, а докторските позиции в него включват участие в международни конференции и училища.
Най-ясният знак за амбицията да се остави трайна следа е търсенето на ръководител на новата лаборатория по невротехнологии. Според обявата, лабораторията е част от стратегическа инициатива за авангардни изследвания в интерфейсите мозък–компютър, невроинженерството и математическото моделиране, а бъдещият ѝ ръководител трябва да очертае дългосрочната ѝ научна визия и да я развие като национален и международен изследователски център. VIBraTE осигурява първоначалното финансиране на позицията и на лабораторията, която е замислена да се развива и след приключването на проекта.
До края на проекта през януари 2028 г. остава малко повече от година. За това време срещу моделите и фантомите на екипа ще стои същият въпрос, с който започнахме: как да направим така, че един електрод да съжителства дълго и безопасно с мозък, който нито за миг не стои мирен. От отговора зависи колко дълго и колко надеждно мозъчните импланти ще могат да помагат на хората, които имат нужда от тях.
