Разработан метод неинвазивной глубокой стимуляции мозга
Американские ученые разработали и успешно испытали на животных метод глубокой электростимуляции мозга без имплантации в него электродов. Результаты работы опубликованы в журнале Cell.
Электростимуляция глубоких структур мозга все чаще находит клиническое и экспериментальное применение в терапии болезни Паркинсона, обсессивно-компульсивного расстройства и многих других неврологических нарушений. В настоящее время она требует имплантации электродов с проводами в определенный отдел мозга, что подразумевает нейрохирургическое вмешательство и сопряжено с риском осложнений (например, инфекции, инсульта или смещения электрода). Для неинвазивной стимуляции применяют чресчерепную магнитную стимуляцию. Она подходит для воздействия только на поверхностные отделы мозга, поскольку стимуляция глубоких структур с ее помощью будет затрагивать всю толщу мозга, что неприемлемо.
В основу разработки неинвазивной глубокой стимуляции мозга сотрудниками Массачусетского технологического института (MIT) и Гарвардского университета лег тот факт, что нейроны реагируют на электрические сигналы только ограниченного диапазона частот, причем частоты эти относительно невелики. При этом, по законам физики, если два электрических поля, незначительно отличающихся по частоте, накладываются друг на друга, их интерференция в области наложения приведет к образованию электрического сигнала с частотой, равной разнице частот этих полей. Следовательно, если под определенными углами подать на мозг электрические поля с частотами, например, 2000 и 2010 герц (которые нейронами не воспринимаются), в области их наложения возникнет электрический сигнал с частотой 10 герц, который будет стимулировать нейроны в этой области. Подбирая направления и частоты исходных полей можно фокусировать стимуляцию на заданной глубокой структуре мозга, не затрагивая остальные его отделы. Авторы назвали эту методику временнόй интерференцией (temporal interference, TI) электрических полей.
После компьютерного моделирования действия методики исследователи испытали ее на модели мозга — пластиковом сосуде с сетью электродов, погруженной в солевой раствор. Определив оптимальные настройки полей, они перешли к экспериментам на животных.
Используя TI, ученым удалось прицельно активировать нейроны гиппокампа, расположенного в толще полушарий мозга, не влияя на другие мозговые структуры. На следующей стадии опытов они смогли «наводить» TI на различные моторные структуры мозга, изменяя соотношение силы тока высокочастотных электрических полей без перемещения электродов по поверхности головы животных. Подобной стимуляцией исследователям удалось управлять движениями передних лап, ушей и усов мышей, находящихся под наркозом.
В ходе испытаний методики не было зарегистрировано выраженных побочных эффектов, таких как повышение температуры мозга, судороги, а также признаки воспаления, повреждения ДНК или гибели клеток в области стимуляции.
На нынешнем этапе разработки прицельная точность стимуляции методом TI ниже, чем при имплантации электродов. Ученые рассчитывают повысить ее увеличением числа интерферирующих электрических полей. Тем не менее, сотрудники MIT уже приступили к испытаниям новой методики на здоровых добровольцах после получения одобрения комиссией института по биоэтике.
По мнению разработчиков, метод TI может найти применение в терапии многих двигательных и аффективных неврологических расстройств.
Спектр практических и экспериментальных применений различных типов стимуляции мозга постоянно расширяется. Так, например, с ее помощью ученым удалось ускорить кратковременную память здоровых людей и улучшить ее у пациентов с шизофренией, помочь людям ориентироваться в виртуальном лабиринте, отрегулировать уровень полового влечения и повысить честность.
Олег Лищук
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.