Группа израильских ученых разработала устройство, которое использует мозговые волны человека для дистанционного управления нанороботами на основе ДНК — когда эти нанороботы находились внутри живого таракана.
Повинуясь мысленному приказу человека, оболочка робота раскрывается, подобно устрице, и высвобождает лекарственную молекулу, которая правит физиологию клеток таракана.
Несмотря на то, что это «всего лишь демонстрация и доказательство концепции», такая технология открывает для нас новую эпоху нейрокомпьютерных наноинтерфейсов, которые связывают психическое состояние человека с биоактивным грузом, вроде лекарств. Будущие методы лечения, в основе которых будет такой прототип, могут существенно продвинуться в лечении шизофрении, депрессии или других психических расстройств: лекарства будут активироваться только тогда, когда мозговые волны пациента будут демонстрировать признаки ненормальности.
Управляя позитивным мышлением
Работа была опубликована в академическом журнале PLoS One.
Взлом телесных функций таракана силой мысли — это довольно интересно уже само по себе, но ученые разрабатывали свою технологию с другой целью на уме: решить надоедливую проблему доставки лекарств.
Доставить препараты куда нужно чрезвычайно сложно, особенно если дело касается внутренней работы мозга.
Когда человек глотает нейроактивную таблетку (скажем, аддералл или риталин), активные ингредиенты начинают циркулировать по телу. Некоторые сразу же разрушаются печенью, что снижает их эффективность, другие же прорываются через кровоток, иногда вызывая побочные эффекты. Ученые пытались обойти эту проблему путем инкапсулирования лекарственных средств в различных оболочках для таблеток или гелях, задерживающих высвобождение. Но даже эти системы не являются полностью управляемыми, поскольку нет никакого способа отключить их, как только оболочка будет снята.
Несколько лет назад группа гарвардских ученых под руководством Джорджа Черча придумала весьма экзотическое решение: нанороботы на основе оригами из ДНК.
Имеющие оболочку, подобно моллюскам, эти наноразмерные роботы состоят из цепочек синтетических молекул ДНК, которые инкапсулируют полезную нагрузку в виде лекарств, пока не наступит время их высвободить. В отличие от таблеток с управляемым высвобождением, препарат физически привязан к оболочке, поэтому он никогда не будет физически свободен и блуждать по телу. Вместо этого полезный груз высвобождается только когда открывается «моллюск»; закройте раковину и сразу же заблокируете лекарство.
Открытие наноробота происходит за счет работы двух замков, каждый из которых представлен особой цепью ДНК под названием аптамер, которая связывается с целевой молекулой — рецептором на поверхности раковых клеток, например. Когда аптамер фиксируется на цели, раковина раскрывается и выпускает ценный груз.
«Эти нанороботы — первая система, которая приближается к реальному управлению лечебными молекулами», пишут израильские ученые в своей работе. Но от нас требуется найти особые молекулярные цели — присутствующие в больном, но не в обычном состоянии — и привязать к ним роботов. В случае с раковыми клетками это весьма сложно. С психическими заболеваниями — и вовсе невозможно.
Чтобы нанороботы на основе ДНК работали в таких условиях, нужны другие режимы управления.
И это навело ученых на мысль: раз уж психические расстройства часто сопровождаются явными признаками аномальной активности головного мозга, которую легко увидеть на ЭЭГ, может, мы сможем использовать мозговые волны для управления нанороботами и высвобождения лекарственных средств?
Разум превыше материи
Для проверки своей идеи ученые построили простую, но доказывающую концепцию систему, которую можно дополнительно оптимизировать для фактического применения в лечебной практике.
Сначала они обучили алгоритм различать картины ЭЭГ людей в состоянии покоя или выполняющих энергичную умственную работу. Затем они связали флуоресцентную молекулу — полезный груз — с роботами ДНК, пометив ее наночастицами железа, и ввели в тела живых тараканов, размещенных внутри электромагнитных катушек.
Наночастицы железа — важный момент: как аптамеры в предыдущем примере, они действуют как замки, контролирующие робота ДНК.
Человек надевает ЭЭГ-шлем, садится рядом с системой и по запросу либо умственно расслабляется, либо решает математические задачки. Мозговые волны расшифровываются в режиме реального времени и используются для изменения состояния электромагнитной катушки, включая ее при проведении вычислений. Сдвиг в электромагнитном поле нагревает наночастицы железа, они раскрывают «устрицу» и выпускают флуоресцентную молекулу.
Через 18 секунд после активации поля ученые обнаружили флуоресценцию в таракане, что подтвердило работоспособность системы. Более того, когда человек-оператор мысленно расслабился, раковина ДНК закрылась и флуоресценция прекратилась. Следовательно, роботы были успешно деактивированы.
«Эти результаты демонстрируют успешное взаимодействие между испытуемыми и роботами ДНК внутри живого животного», заключили авторы.
Телепатическая терапия
Авторы полагают, что будущие проекты их технологии можно было бы использовать для автоматического высвобождения лекарственных препаратов у людей, когда это необходимо.
Алгоритм можно обучить отслеживать состояние мозга, которое связывают с синдромом дефицита внимания и гиперактивности или шизофренией, ну или вообще подстроить под нужды, говорит автор исследования Сачар Арнон. Например, если ЭЭГ обнаруживает признаки нарастающего эпизода депрессии, оно может активировать роботов ДНК, в течение короткого времени выпускающих антидепрессанты, которые помогут побороть симптомы до того, как они взорвут вам мозг. Таким образом, не будет постоянно купаться в изменяющих психическое состояние лекарствах, особенно если они не нужны.
Идея футуристическая, и еще очень многое нужно доработать. Особенную проблему может составить убедить реальный мир использовать такой подход, говорит автор исследования доктор Дорон Фридман.
«Хотя некоторые тенденции движут нас по направлению к носимым технологиям, остается очень сложно измерить высококачественные сигналы ЭЭГ у людей в повседневной жизни», объясняет Фридман. Чтобы система работала как запланировано, группа подумывает создать небольшое ЭЭГ-устройство, которое будет постоянно и неустанно наблюдать за активностью мозга. Когда возникают отклонения от нормы, оно активирует носимое устройство — например, умные часы, очки или бижутерию — создающее электромагнитное поле, необходимое для выпуска лекарств.
Но даже расшифровка активности мозга — сложный процесс, признает Фридман. На текущий момент мы можем найти некоторые различия в ЭЭГ у пациентов с психическими отклонениями в лаборатории. Но сделать надежный нейромаркер, который будет работать в реальном времени — это совсем другое. Впрочем, они активно работают над его созданием.
В любом случае группа ученых с оптимизмом смотрит на будущее своей поделки.
В своем исследовании ученые использовали активность мозга в качестве пускового сигнала. Тем не менее другие параметры должны быть в равной степени эффективны при управлении ДНК-роботами, и эти данные становятся все более и более доступными. Например, приложения для мониторинга сердца уже доступны для мобильных устройств, а некоторые из них позволяют отслеживать уровень сахара в крови и другие биологические параметры.
Такое устройство могло бы упростить множество моментов в нашей жизни. Одной только силой мысли мы могли бы запустить патруль ДНК-роботов, которые выпустят мелатонин и справятся с нашей бессонницей, либо кофеин, чтобы приободрить нас. Мы могли бы даже добиться идеального уровня опьянения.
«Представьте, что могли бы доставить точное количество алкоголя, которое не давало бы вам опьянеть, но удерживало в состоянии счастья. Глупо, но такое может случиться», говорит Арнон.
Автор: Илья Хель