44 стартапа, которые разрабатывают технологии для стимуляции мозга Статьи редакции

Для этого они используют машинное обучение, виртуальную реальность, ЭЭГ и другие технологии. Перевод материала венчурного партнёра фонда Sistema VC Петра Жегина.

Сооснователь DeepMind Демис Хассабис: «Физика и нейробиология — самые фундаментальные из наук. Первая изучает мир вокруг нас, вторая — мир внутри нас, в наших головах».

В технологии изучения и улучшения «мира внутри нас» активно вкладывают инвестиции.

Летом 2016 года аналитическая компания CB Insights опубликовала обзор 17 стартапов-служб, созданных для стимуляции работы мозга. Стартап Neuronetics получил больше всех инвестиций в рейтинге. В июне 2018 года он стал публичным акционерным обществом.

Другие компании собрали значительные средства в ходе инвестиционных раундов, например, Lumosity ($11 млн), Headspace ($32 млн), Thync ($6 млн). И только один стартап обанкротился.

Поэтому нельзя не заинтересоваться происходящим на стыке технологий и нейробиологии. В этом материале — обзор стартапов, направленных на улучшение мозговой деятельности. Также обращу внимание на то, как машинное обучение применяется или может быть применено к этой глобальной задаче.

Надеюсь, это будет полезно специалистам по анализу данных, ищущим применение своим знаниям. А также заинтересует учёных и работников системы здравоохранения, которые хотят узнать, какие технологии будут полезны для лечения больных и в научной деятельности.

В статье 44 стартапа разделены на три группы:

1. Помогают с диагностикой.
2. Разрабатывают технологии воздействия на мозг, стимуляции его работы.
3. Вносят основной вклад в исследования устройства мозга и построения взаимосвязей внутри него.

Внутри каждой группы стартапы объединены по схожести основных принципов, на которых основана технология. Например, на измерении кровотока, отслеживании электрической активности мозга или тестировании на наличие определённых белков.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) — технология для записи электрической активности мозга. Это один из наиболее популярных диагностических инструментов.

Некоторые стартапы, которые использую ЭЭГ:

• BrainScope разрабатывает технологию для оценки серьёзности черепно-мозговой травмы, включая проверку на сотрясение мозга.
• Ceribell разрабатывает инструмент, позволяющий быстро определить вид и степень серьёзности судорожного приступа.
  
• Elminda помогает восстанавливаться после травм головного мозга.
  
• ЭЭГ-биосенсор NeuroSky усиливает и преобразует в цифровой формат аналоговые сигналы мозга. Компания также создала платформу для приложений в области здравоохранения, образования, медицины, научных исследований и других областях.
  

Существует новый способ диагностики на основе анализа взаимодействия человека и смартфона. В основе продукта Mindstrong лежит набор цифровых биомаркеров взаимодействия человека и смартфона, которые тесно связаны с отдельными когнитивными показателями, настроением и плотностью нейронных связей.

Среди диагностических подходов есть такие, которые измеряют объём жидкости, ток и уровень кислорода в крови, свойства тканей и движения черепа. Ниже — список стартапов, применяющих эти подходы:

• Cerebrotech Medical Systems разрабатывает объёмно-импедансную фазовую спектроскопию (VIPS), а именно гарнитуру, фиксирующую многочастотные электромагнитные измерения для оценки различий объёма жидкости между полушариями головного мозга. Такая технология помогает в оценке состояния пациентов, перенёсших инсульт.

• Neural Analytics занимается исследованиями транскраниальной допплерографии и ультразвуковой техники для оценки здоровья мозга. Сама технология сочетает в себе ультразвуковое устройство для нервно-сосудистой системы, разработанное для неинвазивного измерения притока крови к мозгу и отображения этой информации. Технология используется для оценки состояния пациентов с нарушениями мозгового кровообращения и наблюдения за больными.

• Boston Neurosciences также использует ультразвуковую допплерографию для неинвазивного измерения внутричерепного давления (ICP).

• Iota Biosciences выбрала иной подход к технологии ультразвука. Устройство компании размером не больше миллиметра, оно активируется ультразвуковым лучом, между электродами проходит напряжение, и электрическая активность ткани воздействует на этот слабый ток. Такие небольшие изменения в буквальном смысле отражаются в обратном сигнале ультразвуковых импульсов, и врач (либо учёный) может узнать электрофизиологическое напряжение по этим изменениям. Сейчас технология не применяется в изучении мозга, но позволяет взаимодействовать напрямую с отдельными скоплениями нервных клеток и открывает множество возможностей для биоэлектронной медицины и мозго-машинных интерфейсов.

• Компании Luciole Medical и Obelab используют ближнюю инфракрасную спектроскопию для диагностики повреждений головного мозга на основе анализа концентрации кислорода в крови.

• Измерение движения черепа, возникающего в результате несимметричного притока крови к мозгу, — подход, используемый компанией Jan Medical. Их аппарат состоит из датчика для определения частоты сердечных сокращений, датчика измерения звукового давления для определения уровня звука окружающей среды и шести акселерометров для определения скорости движения костей черепа. Он помогает диагностировать неотложные состояния, например, сотрясение мозга, инсульт и спазм сосудов.
  

Состояние крови может многое рассказать о здоровье мозга, и некоторые стартапы занимаются его исследованием для диагностики травм и других состояний. Например:

• BioDirection разрабатывает платформу для проведения тестов на наличие или количество определённых молекул белка, выделяемых мозгом сразу после сотрясения.

• Iron Horse Diagnostics разрабатывает анализы крови или спинномозговой жидкости для более раннего выявления черепно-мозговых травм и бокового амиотрофического склероза.

Приложения для диагностики мозга существенно опираются на машинное обучение. В основе программного обеспечения ЭЭГ лежат интерпретирующие модели, которые помогают найти и определить категории психических или эмоциональных состояний.

Эти модели могут быть простыми, как математическая формула, и сложными, как модель машинного обучения, которая даёт пользователю знать, как он чувствует себя, выполняя ту или иную деятельность.

С помощью машинного обучения также можно распознавать паттерны движения костей черепа и соотносить их с различными патологиями мозга. Алгоритмы различают их по электрическому сопротивлению органа (биоимпедансометрия).

Кроме того, методы машинного обучения используются, чтобы показать, что конкретные цифровые характеристики (взаимодействия человека и смартфона) коррелируют с когнитивной функцией, клиническими симптомами и показателями мозговой активности. Так появляется новый способ диагностики.

Стартапы занимаются не только диагностикой, но и создают технологии, воздействующие непосредственно на работу мозга. Я разделил различные виды продуктов на две большие группы.

1. Прямое применение технологии, при помощи которой нервы и сам мозг могут стимулироваться электрическими импульсами, магнитными волнами, низкими температурами и даже светом. Эти и другие раздражители влияют на различные параметры мозга, например, на кровообращение, высвобождение нейромедиаторов и так далее.
2. Косвенное применение технологии: когда пациент (или пользователь) пытается управлять своим состоянием, изменяя поведение, медитируя или применяя другие практики, где не нужны особые устройства. Такие технологии применяются с помощью нейронной обратной связи, такого типа биологической обратной связи, который использует отображение активности мозга в реальном времени для самоконтроля мозговой деятельности.
   

• Неинвазивная стимуляция тройничного нерва позволяет уменьшить или увеличить кровообращение в областях мозга, связанных с началом и увеличением эпилептических припадков, и областях, связанных с настроением, вниманием и исполнительными функциями. Такой метод использует компания NeuroSigma.

• Технология компании BrainsGate основана на электростимуляции крылонёбного ганглия (SPG), которая усиливает мозговое кровообращение. В случае острого ишемического инсульта нарушается кровообращение. Стимуляция SPG может усилить пропускание жидкости через кровеносные сосуды в области, которые пострадали от недостаточного кровоснабжения или его отсутствия, и помочь сохранить ткани мозга.

• Компания Ebb работает над черепно-мозговой термотерапией (при +14–16 °C) для лечения бессонницы. Доказано, что нарушения сна связаны с метаболизмом лобной доли во время сна, то есть снижение метаболизма сведёт нарушения сна к минимуму.

• Стимуляция тройничного нерва помогает симпатической нервной системе лучше реагировать на стресс. Она активирует в голубом пятне (locus coeruleus) — скоплении нейронов, ответственных за реакцию на стресс и тревогу, — выработку норадреналина, гормона, помогающего мозгу и телу совершить активное действие. Компания Thync использует эту технологию для повышения стрессоустойчивости.

• Инвазивная стимуляция блуждающего нерва (VNS) проходит в определённые области мозга и приводит к выработке нейромодуляторов, которые имеют значение в обучении и запоминании, а также помогают повысить эффективность (или актуальность) физической терапии тех, кто перенёс инсульт. Холинергические и норадренергические нейромодулирующие системы активируется при стимуляции блуждающего нерва и являются скрытыми проводниками, которые блуждающий нерв использует для восстановления работы мозга. Над разработкой технологии стимуляции блуждающего нерва работает компания Microtransponder.

• Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) и синхронизированная TMS (настроенная на уникальную частоту альфа-ритма пациента, которая измеряется с помощью короткой ЭЭГ) используются для помощи пациентам с депрессией. Компания NeoSync пользуется синхронизированной TMS, благодаря которой вырабатываются нейромедиаторы, например, допамин, и химия мозга приходит в норму. Считается, что ещё TMS может восстанавливать здоровые осцилляторные паттерны в мозге, которые помогают разным областям мозга координироваться между собой.

• Динамическую нейростимуляцию (RNS) разработала компания NeuroPace. В компании отмечают, что технология действует на тормозной нейромедиатор. Он подавляет или прекращает полностью такую активность клеток мозга, которая может привести к судорожным приступам.

• На химический состав мозга также может влиять свет. Когда на светочувствительные участки мозга попадает свет, он влияет на нейронные цепи мозга с помощью нейромедиаторов (например, серотонина, дофамина и норадреналина). Трансчерепное воздействие яркого света через ушные каналы проводилось компанией Human Charger, которая разрабатывает лекарство от депрессии. Но к этому методу относятся скептично.

• Глубокая стимуляция головного мозга (DBS) не воздействует непосредственно на клетки, производящие дофамин, и не влияет на уровень дофамина в мозге. Вместо этого она избавляется от одного из побочных эффектов потери дофамина, исправляет избыточную атипичную активность, вызванную потерей клеток, производящих дофамин. Компания Aleva Neurotherapeutics применяет DBS к субталамическому ядру, а также к вентролатеральному ядру таламуса. Компания Functional Neuromodulation занимается исследованиями хирургической имплантации устройства для стимуляции свода конечного мозга, места, которое имеет первостепенное значение для запоминания.

• Устройство Nativis Voyager при помощи сверхнизкой радиочастоты записывает электронный спектр молекулы, в этом случае паклитаксела, используемого в химиотерапии. Затем устройство «воспроизводит» сигнал, направляя его на опухоль пациента. В теории сигнал воздействует на раковые клетки так же, как и сами молекулы паклитаксела. Паклитаксел работает, повреждая РНК или ДНК, которые говорят клетке, как копировать себя при делении. Если клетки не могут делиться, они умирают. Здесь вы можете ознакомиться с критикой метода Nativis.

• Электростимуляция усиливает команды мозга, которые сохранились у людей с тяжёлыми травмами спинного мозга, тем самым позволяя произвольно контролировать определённые мышцы ног. Происходит серьёзная реконструкция как соответствующих нейронных цепей в спинном мозге, так и сохранившихся путей в головной мозг и из него. Эксперименты показали, что нейромодуляция приводит к перенаправлению информации коры головного мозга по заново выстроенным путям при травмах спинного мозга. Компания GTX Medical работает над восстановлением пояснично-крестцового отдела спинного мозга с помощью такой стимуляции.

• Компания Halo Neuroscience использует транскраниальную микрополяризацию (tDCS), то есть применяет к нужной области мозга очень низкие величины постоянного электрического тока с помощью наложения электродов на кожу головы. Это увеличивает естественную способность мозга создавать и совершенствовать новые нейронные пути в двигательной зоне коры головного мозга и улучшает мышечную память.

• Технология компании Muse с помощью ЭЭГ переводит мозговые импульсы в звуки погоды и помогает медитировать. Dreem использует нейронную обратную связь как способ релаксации. Уровень расслабления, измеряемый характером мозговых импульсов, также переводится в звуковой сигнал. Пользователь пытается управлять звуком и в итоге расслабляется. Emotiv помогает узнать, в какое время дня пользователь наиболее сосредоточен и какие занятия заставляют его максимально расслабиться. Также Emotiv советует способы управления стрессом или улучшения концентрации. BrainCo помогает учащимся улучшить внимательность и учиться с большей пользой. Пользователи могут отслеживать свои очки внимательности и играть в обучающие игры. Atentiv также создаёт когнитивную тренировку и терапию в форме игр на основе ЭЭГ.

• Дополненная, виртуальная реальности и устройства, датчики для ношения на теле также можно применять для улучшения мозговой деятельности. Например, эти технологии позволяют воспроизводить движения пациента в реальном времени — как движения антропоморфного аватара в виртуальной среде. Встроенная сенсорно-двигательная обратная связь позволяет объединить первичные моторные механизмы и когнитивные принципы, связанные с тем, как действует и что осязает тело, и это улучшает восстановление функций мозга. А MindMaze, к примеру, использует виртуальную реальность для реабилитации пациентов, перенёсших инсульт.

• Взаимодействие с мобильным устройством: BrainHQ рассказывает пользователю о том, как он играет, а Lumosity — чему учится пользователь, играя в мобильные игры для улучшения когнитивных способностей. Happify даёт общую обратную связь в форме «очков счастья». Пока неясно, насколько значительным является влияние этих игр на тренировку мозга, однако есть свидетельства того, что тренировки улучшают скорость нейронных связей, например, нейроны быстрее реагируют на речь.

Это ещё один способ, с помощью которого технологии могут помочь улучшить мозговую деятельность.

• Приложения компании Calm и Headspace не дают нейронной обратной связи, однако они помогают пользователю в практике медитации и в развитии способности понимать своё тело и разум. Но влияние медитации на мозг ещё не изучено полностью. Более или менее видимые эффекты проявляются на примере людей, которые практикуют медитацию долгие месяцы и годы.

Существует как минимум три способа применения машинного обучения для улучшения мозговой деятельности.

1. Определить подходящее время для внедрения продукта или для моделирования.

2. Настроить стимуляцию индивидуально под каждого отдельного пациента.

3. Преобразовать необработанные данные в практические советы нейронной обратной связи.

Выбор подходящего времени для стимуляции — важная задача. Алгоритмы сбора и обобщения данных от датчиков могут применяться для распознавания потенциального движения пациента и выбора подходящего момента для электростимуляции.

Компании GTX Medical и NeuroSigma разрабатывают устройства, которые на основе обратной связи, получаемой от нательных датчиков и датчиков внутри тела, в режиме реального времени посылают стимулирующие сигналы телу. Обнаружение судорожных припадков — функция генератора импульсов от компании AspireSR.

Сами параметры стимуляции не так просто определить и запрограммировать.

• Для программирования стимулятора блуждающего нерва требуется врач или опытная медсестра, а также специальное программное обеспечение. А в случае глубокой стимуляции головного мозга происходит перепрограммирование устройства из-за колебаний сопротивления на уровне взаимодействия электрода и ткани.

• Проблема настройки параметров вмешательства усложняется вместе с усложнением стимуляции. Например, требуется послеоперационное наблюдение, чтобы сбалансировать глубокую стимуляцию мозга и медикаментозное лечение. Следовательно, системы поддержки принятия клинических решений, основанные на алгоритмах машинного обучения, могут быть полезны для управления глубокой стимуляцией головного мозга.

Машинное обучение имеет важное значение для преобразования необработанных сигналов, которые посылаются мозгом, в содержательные результаты, способные обеспечить достойную нейронную обратную связь.

• Например, алгоритмы машинного обучения Dreem каждые 30 секунд записывают, на какой стадии сна находится пользователь. Гипнограмма, составленная путём анализа всех стадий, передается пользователю.

• Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарварда использовали машинное обучение для обнаружения и различения сигналов, связанных с болью, когда участники носили устройство для медитации от компании Muse.

• Машинное распознавание помогает MindMaze распознавать выражения лица пользователя за десятки миллисекунд и мгновенно воспроизводить это выражение на аватаре виртуальной реальности, который помогает пациентам с инсультом в их выздоровлении.

Существуют по крайней мере два широких предмета исследований, на которые нацелены компании, занимающиеся разработкой нейротехнологий. Некоторые компании работают над тем, чтобы лучше «увидеть» мозг, в то время как другие пытаются связать его с внешним миром.

Микроскопическая система компании Inscopix позволяет постоянно изучать мозг мыши на клеточном уровне, пока животное живёт обычной жизнью. Технология компании 3Scan использует машинное зрение для извлечения пространственных данных из образцов ткани. Результаты представляют собой подробные трёхмерные изображения анатомических структур.

Устройство Stentrode от компании Synchron имплантируется в мозг в двигательную область коры. Оно захватывает и отправляет сигнал на беспроводную антенну, установленную в груди, которая направляет его на внешний приёмник.

Компания Neuralink предложила концепцию «нейронной пыли». Интерфейс будет состоять из тысяч микроскопических независимых сенсорных узлов и одного подчерепного справочного устройства, которое их соединяет и служит источником энергии.

Компания Kernel исследует способы имплантации микрочипов в человеческие головы. А компания Ctrl-labs разрабатывает устройство для ношения на теле, которое будет работать на основе дифференциальной электромиографии, то есть измерять изменения электрического потенциала, вызванного импульсами, идущими от мозга к мышцам.

Изучив деятельность всех этих компаний, меня поразили несколько фактов:

• Наш организм — это удивительное химическое производство. Контроль над ним может помочь в борьбе с различными заболеваниями с меньшей зависимостью от лекарств. Изучение различных типов стимуляции и методов исследования мозга приближает нас к главному пульту управления этим производством.

• Рост интереса к осознанности и медитации может увеличить использование портативных датчиков ЭЭГ и других устройств для нейронной обратной связи. Headspace, одно из самых популярных приложений для медитации, имеет более 16 млн загрузок, даже доля его пользователей может помочь в развитии небольшого рынка портативных ЭЭГ ($50 млн в США в 2017 году).

• Данные, полученные в результате растущего использования ЭЭГ, в сочетании с данными взаимодействия человека и мобильного устройства открывают новые возможности для диагностики на основе цифровых биомаркеров.

• Существует риск того, что несмотря на растущий интерес к нейронной обратной связи и осознанности, некоторые технологии будут подталкивать нас к довольно пассивной роли в управлении собственным разумом, например, стимуляция вместо медитации.

• Я считаю, что нейротехнологии окажут огромное влияние на экономику, бизнес и бизнес-модели. Представьте себе потребность в неврологах, если мозговые имплантаты станут мейнстримом, а операции по их имплантации станут обыденным делом? В 2004 году в европейских странах на 100 тысяч человек приходилось 4,84 невролога. Для сравнения: в 2007 году в странах ОЭСР на 100 тысяч человек приходился в среднем 61 стоматолог. Эти показатели немного устарели, но я считаю, что они прекрасно иллюстрируют проблему, о которой я говорю. Затем представьте ситуацию, когда врачу необходимо дистанционно подключиться к воспоминаниям пациента за определённый день и изучить 24-часовое видео, данные о деятельности мозга и так далее. Выдержит ли такое количество данных инфраструктура мобильных коммуникаций? Это всего лишь некоторые очевидные технические проблемы, которые даже не учитывают некоторые другие факторы, такие как влияние на здравоохранение населения, конкурентоспособность стран, философские, этические проблемы и так далее.

• Сейчас мы находимся на самых ранних этапах развития технологии улучшения мозговой деятельности, просто раскрывая её потенциал для здравоохранения, здорового образа жизни и спорта. Однако горизонтальные платформы на рынке, такие как NeuroSky и Ctrl-labs, могут помочь перенести технологию улучшения мозговой деятельности на другие рынки, например образования, игр и развлечения.

Если эта статья вас вдохновила и вы хотите запустить бизнес на основе нейротехнологий или стать его частью, я настоятельно советую вам сотрудничать, консультироваться с теми, у кого есть опыт в нейробиологии или смежной дисциплине. Лишь немного изучив эту область, я понял, что одних знаний в области компьютерных и инженерных наук недостаточно для успеха.

Выражаю благодарность Виктории Коржовой и Марии Колесниковой за рецензирование черновиков этой статьи.

Статья охватывает частные компании, которые привлекли $10 млн и более инвестиций, занимаются исследованиями в области неврологии и разрабатывают программы, устройства для медицинских работников, учёных и пользователей.

Компании, использующие компьютерную томографию, МРТ, не включены в статью, так как это отдельная тема. Также в статью не включён анализ фармацевтических компаний.

Данные взяты из Pitchbook и CrunchBase. Если базы предоставляют противоречивые данные, используются данные Pitchbook.

#ээг #машинноеобучение