Представете се накратко и споделете как се роди идеята за този проект.
Още от ученическите ми години в НПМГ се интересувах от фундаментални научни дисциплини. По-късно като студент по медицина този ми интерес се фокусира върху човешката физиология и патофизиология. През 2002 г. започнах докторантура в Холандия, където за пръв път се сблъсках с интердисциплинарна колаборация между физиолози и инженери. Моята задача беше да проуча аспекти от анатомията и физиологията на периферните нерви за целта на разработка на маншонови (cuff) електроди. В рамките проекта участвах в една Мария Кюри докторантска мрежа. През 2006 – 2008 година проучвах възможностите на вагусовата нервна стимулация за модулиране на мигрената под ръководството на един от водещите клиницисти в Белгия – проф. Жан Шунен. През 2008 г. бях привлечен от проф. Нютен – един от пионерите на дълбокомозъчната стимулация в Белгия да започна работа в изследователски проект с IMEC.
През 2011, като част от развойната дейност на системи за дълбока мозъчна стимулация, в IMEC възникна въпросът как да се намали взаимодействието между имплантирана силициева записваща сонда и мозъчната тъкан. Направихме изследване с ЯМР на прясно-имплантирани сонди in vivo на плъхове и установихме локален мозъчен оток около импланта. Аз започнах обстойни литературни изследвания и първоначално моделиране на дифузията около електрод. Впоследствие в експерименталната литература се появиха данни, че при определени конфигурации на закрепване за черепа тъканите около импланта реагират различно. Това ме насочи към ефекта на механичните взаимодействия. През 2016 се опитах да лансирам такава тематика като колаборация между IMEC и една група във VIB. Техните изследвания се насочиха в посока на in vivo микроскопски изследвания като установиха много стабилно състояние на тъканта при добро закрепване на импланта. Това ме наведе над мисълта, че цялостната конструкция трябва да се моделира за да се разбере какво точно става и няма прости отговори. Това ми разбиране доведе до една публикация по моделиране на дифузията около електрод и един систематичен обзор от 2016, които оформиха по нататъшните ми идеи по тематиката. Също така тогава изследвахме и възможни приложения на оптогенетиката при хора за лечение на заболявания като Пакиноснова болест и рефракторна епилепсия. Споменавам го, тъй като тази седмица пионерите на оптогенетиката получиха Нобелова награда по медицина и физиология.
През 2020, по време на COVID пандемията, с мен се свързаха двама студента от инженерния факултет на университета в Льовен за стаж за магистратура в IMEC. Тъй като нямаше достъп до лабораторията в първите месеци им възложих да разработят простмеханичен FEM модел на мозъчна тъкан. После направихме прототип на установка, измерваща основните прогнози от механичния модел. Получиха се обещаващи резултати и това ми даде увереност, че подходът ми е правилен. През есента на 2021 г. се опитах да лансирам идеята за по-детайлно моделиране първо на вътрешен конкурс в IMEC и после с колеги от VIB като заложихме някои идеи в едно предложение по EIC, но без успех. Тогава започнахме и първите дискусии с проф. Кирил Алексиев и проф. Галя Ангелова, тогава директор на ИИКТ, за възможен проект по ERA Chair инструмент към института. За наша обща изненадана успях да спечеля проекта от първия път през 2022 г. Може би е имало някакво значение, че съм дългогодишен рецензент по някои европейски програми и съм ръководил и други големи международни проекти. Така, че освен опита явно и идеите ми са актуални. VIBraTE започна в началото на 2023 като освен научни си бяхме поставили за цели и сериозни организационни задачи – създаване на екип, изграждане на лаборатория и експериментални установки и възвръщане на пионерския дух в развойната дейност в БАН. Визията ни е за създаване на българска научно-иновационна общност за приложения на невротехнологиите, както и за приложения на фундаментални научни постижения в невротехнологиите.
Какво точно се случва с мозъчната тъкан в първите седмици и месеци след като в нея бъде поставен електрод? Може ли да опишете глиозата с прости думи и защо тя е проблем за пациента и за лекаря?
Глиозата е нормална реакция при увреждане на мозъка. Става въпрос за реакция тип чуждо тяло в тъкан. Мозъкът съдържа неврони и помощни глиални клетки, които ги подкрепят и пазят. Когато се появи чуждо тяло, имунните клетки-микроглия обгръщат електрода. Астроцитите образуват плътна мрежа около него. В първите часове се развива локален оток и нарушаване на кръвно-мозъчната бариера. След това се развива първо остро, а след това, и хронично възпаление, което формира глиалния белег.
Защо това може да е проблем?
– За пациента. Сигналът отслабва, а стимулацията може да изисква по-голям ток или да действа по-слабо. Това намалява ефекта от лечението, например при дълбока мозъчна стимулация или мозъчно-компютърни интерфейси.
– За лекаря. Записите стават нестабилни и трудно предвидими с времето. Настройките се променят, а ако електродът престане да работи, може да се наложи нова оперативна намеса за отстраняване.
Колко и как се движи мозъкът спрямо импланта при всеки удар на сърцето, вдишване или завъртане на главата – и защо тези микродвижения се оказват толкова важни?
Мозъкът не стои неподвижно в черепа. Той е потопен и плува в цереброспинална течност и се движи с всеки пулс и всяко вдишване, а електродът, закрепен за черепа, остава почти на място. Така тъканта постоянно се отърква в импланта. Мозъкът се движи малко, но непрекъснато. При всеки удар на сърцето кръвният пулс измества тъканта с около 2–4 μm. Дишането е по-силно и измества повърхността на мозъка с около 10–30 μm, макар че твърдата мозъчна обвивка (дура) намалява значително тези премествания. При маймуни е измерено, че движението на мозъка създава периодична сила от около 5 mN с честота около 1/5 Hz. Завъртането на главата или тялото добавя въртящ момент и усукване. Те идват оттам, че мозъкът и имплантът имат различни плътности и затова се движат по различни траектории. Поотделно движенията са съизмерими с размера на една клетка, но се повтарят хиляди пъти на ден и затова постоянно дразнят тъканта около електрода. Процесът поддържа хронично възпаление на кръвно-мозъчната бариера.
Защо избрахте да изследвате връзката мозък–имплант предимно чрез математически и компютърни модели и как дробното смятане помага да се опише мозъчната тъкан ?
Един от най-добрите математици на ХХ в. – проф. Владимир Арнолд казва, че математиката е дял от физиката, където експериментите са евтини. Т.е. математическото моделиране дава достъп до сценарии, където евентуални експерименти биха били сложни и трудоемки. Също така то фокусира изследванията само върху практически реализуеми експерименти. Добри експериментални постановки се разработват дълго и резултатите се публикуват много по-късно. Важността на този подход научих в IMEC, където цикълът теория – симулация – експеримент – прототип се затваря. Това е всъщност рецептата за успеха на разработката на интегрални схеми, но пренесена тук към друг проблем. Това е философията зад VIBraTE.
Дробното смятане е гъвкав инстументариум, тъй като посредством него може да се описват по-„аномални“ феномени като дифузия на вещества в порести среди, еластичност на хетерогенни материали с памет и др. Т.е. ударението е върху стремежа към описание на сложни в инженерен план системи. България има традиции в тази област в лицето например на проф. Христов и проф. Кирякова, които познавам от дълги години.
Как изглежда идеалният мозъчен електрод според досегашните ви резултати – каква форма, колко мек? Има ли граница, след която по-мекото вече не е по-добро?
Идеалният електрод трябва да се движи заедно с тъканта при нейните пулсации, но същевременно да е достатъчно твърд за да не бъде постепенно изтласкан като чуждо тяло. В момента разработваме точно модела на такова взаимодействие. Такъв електрод трябва да има множество канали за запис, микрокатетри за прилгана на имуномодулатори, а при клинично одобрение на оптогенетиката и оптични елементи за стимулация.
До каква степен пулсациите на сърцето и дишането „замъгляват“ сигналите, които учените записват от отделни неврони?
Пулсациите „замъгляват“ сигнала по два начина. Бързо, при всеки удар и вдишване, те променят разстоянието между електрода и неврона. Бавно, натрупват се като отместване. Това води до грешки при сортирането на сигнала и прескачане между каналите за запис.
Кои пациенти и кои технологии биха спечелили най-много, ако имплантите работят надеждно години наред, без около тях да се образува белезна тъкан? Колко далеч сме днес от такива устройства?
Най-много биха спечелили хората с тежка парализа и тези, на които се налага дългосрочна мозъчна стимулация или запис. Днес сме по средата на пътя: някои импланти вече работят години, но загубата на сигнал още не е преодоляна. В това отношение както частните инвестиции така и стабилно публично финансиране е важно за постигане на трайни успехи.
Къде сме днес – Положително развитие е, че изпитанията в хора вече показват годни за ползване дълготрайни импланти. В проучването BrainGate на 14 участници средната продължителност на имплантацията е 872 дни. Не е имало събития, наложили изваждане на устройството, или инфекции на мозъка. Един участник е надхвърлил 9 години безопасни записи. В активните изпитания средната продължителност е около 40 месеца, но резултатите се различават между пациентите. Като цяло проблемите остават – при част от изследванията сигналът намалява още в първите седмици и при кои пациенти ще се развие проблемът не може да се предскаже предварително.
Какво променя за науката и обществото в България създаването на лаборатория по невротехнологии в ИИКТ-БАН?
Науката е глобално занимание, това че нещо се прави в България дава множество ефекти. Първо, в професионален план, тук дадох път на 4 млади учени. Привлякох двама специалисти – единият е учен-физик от Италия, другият е старши инженер с дългогодишен опит от Великобритания.
На ниво институт изградихме инфраструктура – физическа лаборатория за механични проучвания в мозъчни фантоми. Извърших успешен научно-технологичен трансфер от страна на водещ технологичен център IMEC към ИИКТ-БАН по водещи направления. Сътрудничим с изследователски групи от Белгия и Германия.
Създадохме интердисциплинарна научна група от математици, физици, инженери и софтуерни специалисти, която може да решава широк клас от научни и научно-приложни задачи. Сътрудничим и с някои невротехнологични компании от Европа и балканският регион.
В обществен план ефектът е предимно върху иновационната екосистема. Активно участваме в дейностите българската spin-off екосистема – клъстерите по науки за живота, здраве и изкуствен интелект. Изследваме активно приложенията на неинвазивните невротехнологии като помощно средство в образователния процес.
Може би най-важното постижение на проекта в глобален план е участието ми беше във формулиране на препоръките на UNESCO за етика на невротехнологиите, което беше прието през ноември 2025 г, и където бях също номиниран за представител на България в преговорния процес. Рамката изрично препоръчва насоки за използване на невронни данни при разработване на ИИ, включително информирано съгласие и прозрачност. Моят опит и експертна перспектива намери отражение в някои от формулировките на препоръката. Това е важно тъй-като например Neuralink на Елън Мъск в момента обучава модели върху записи от мозъчната дейност на участници в изпитанията на имплантите. Neuralink съобщава, че за две години участниците в изпитването са предоставили над 50 000 часа немаркирани записи, а първият участник сам е записал над 9 000 часа. Компанията обявява целта си за „универсален“ невронен основен декодиращ модел.
