Нейронные импланты
Наша способность отслеживать электрические сигналы в мозгу и управлять ими растет с каждым днем, открывая новые возможности для восстановления функций, утраченных из-за травм и заболеваний. То, что начиналось с кохлеарных имплантов, сегодня продвинулось до глубокой стимуляции головного мозга, искусственной сетчатки и даже мозговых имплантов, которые позволяют контролировать устройства вне человеческого тела.
В широком смысле нейронные импланты делают одно из двух. Устройства ввода посылают электрические сигналы напрямую в нервную систему. Они транслируют сенсорную информацию из внешнего мира, например звук или свет, как в кохлеарных имплантах и искусственных сетчатках. С помощью устройств ввода также можно контролировать осечки мозга, которые вызывают эпилептические припадки или тремор при болезни Паркинсона. В противоположность им, устройства вывода отправляют электрические сигналы из мозга во внешний мир, в частности для управления такими устройствами, как искусственные конечности. Первыми люди начали использовать такие устройства ввода, как кохлеарные импланты.
Кохлеарные импланты
Первый кохлеарный имплант был создан американскими хирургами Джоном Дойлом и Уильямсом Хаусом и протестирован на волонтере в 1964 году. Четыре электрода, расположенные во внутреннем ухе, передавали достаточно деталей, чтобы пациенты слышали и повторяли простые фразы.
Сегодня коммерчески доступные импланты содержат более 20 электродов и восстанавливают слух десяткам тысяч людей в год. В частности, дети, которым устанавливают кохлеарные импланты в возрасте, когда их мозг достаточно пластичен для осмысления новых вводных данных, добиваются больших успехов в понимании речи.
Сегодня исследователи работают над полностью вживляемыми устройствами, без внешних проводов или батареек, а также исследуют способы улучшить передачу более сложных звуков, таких как музыка.
Кроме того, разрабатываются технологии по стимулированию сетчатки. Импланты сетчатки, такие как Second Sight, были впервые опробованы на пациентах в 2002 году. Они электрически стимулируют сохранившиеся клетки в глазах людей, ослепших из-за повреждения или потери чувствительных к свету участков сетчатки. Захваченные камерами изображения переводятся в грубую версию того, что увидел бы здоровый глаз. Из-за богатства визуальной информации, которую мы получаем от глаз, сделать что-то не хуже нормального зрения – задача достаточно сложная, но ученые работают над улучшенными имплантами с тысячью пикселей.
Устройства ввода, стимулирующие мозг напрямую, также прошли долгий путь. Первопроходцем стал Хосе Дельгадо, испанский исследователь, который впоследствии проделал значительную работу на модельных животных в Йельском университете в 1950–1960-х годах. Он разработал мозговые импланты, названные им «стимосиверы», и подсоединил их к конкретным участкам мозга животных, чтобы контролировать их поведение. В одном из своих знаменитых экспериментов (видео легко найти в сети) он отправляет электрические импульсы через дистанционный пульт управления в мозг нападающего быка и останавливает его. Дельгадо продолжил опыты и испытал «стимосиверы» на мозге людей волонтеров.
Оптогенетика
Вероятно, в будущем получится управлять деятельностью мозга с помощью света, а не электричества. Оптогенетика – это новая технология, при которой нейроны генетически модифицируются и начинают реагировать на свет. В первую очередь, с ее помощью можно восстанавливать чувствительность сетчатки глаза, но в теории метод можно использовать в мозге, если мы найдем безопасный способ проводить генную терапию и свет внутри черепа.
Эксперименты на животных показали, что оптическая стимуляция активирует или приглушает конкретные нейроны и влияет на поведение, к примеру, заставляет мышей бежать при освещении моторных участков мозга. Когда свет выключается, останавливаются и мыши. В будущем способность оптически контролировать нейроны может оказаться крайне полезной при таких состояниях, как эпилепсия.
Эксперименты уже показали, что оптогенетическое гашение нейронов подавляет приступы у мышей. Теперь исследователи работают над устройством, которое отслеживало бы активность мозга и определяло начало приступа. В сочетании с генной терапией это однажды позволило бы нам выключать приступы прямо на старте.
Перемотайте вперед на несколько десятилетий, и перспективы применения таких технологий прояснятся. Более 100 000 человек по всему миру получили импланты глубокого стимулирования мозга для смягчения тремора при болезни Паркинсона. В базальные ядра, содержащие нейроны, которые производят дофамин и теряются при болезни Паркинсона, вводятся электроды, затем их подсоединяют к батарее, размещенной на груди и контролируемой пультом дистанционного управления в руке. Когда аппарат включается, тремор полностью останавливается, и пользователь продолжает повседневную жизнь.
В последнее время развиваются и устройства вывода – которые фиксируют сигналы из мозга. Они позволили ученым считывать нейронную активность и переводить ее в сигналы, управляющие протезами. Поместив тонкие электроды в двигательную кору головного мозга, можно идентифицировать «скачки», соответствующие активности отдельных нейронов. Предыдущие опыты на обезьянах показали, что схемы скачков множества нейронов «декодируют» направление движений руки. Следующим шагом стало использование этой информации для роботизированной руки, которой обезьяны быстро научились управлять с помощью одних сигналов мозга. В прошлое десятилетие нечто подобное стало возможным и для людей.
В 2004 году Мэтью Нейгл, парализованный от шеи и ниже, стал первым человеком с мозговым имплантом, позволявшим контролировать курсор на компьютерном экране и раскрывать и закрывать протез кисти. С тех пор аналогичные импланты появились у ряда других людей, но исследование все еще остается на уровне лаборатории – для начала необходимо, чтобы человек был подключен к компьютеру, передающему сигналы мозга на протез. Но развитие маломощной микроэлектроники позволит проектировать следующее поколение нейронного интерфейса – беспроводное.
Вехи в борьбе с параличом
Сочетание силы мозга с электроникой быстро обращает вспять ограничения паралича. Электроды на мозге обездвиженной женщины позволили ей общаться с помощью мыслей (см. ниже «Первые домашние мозговые импланты позволяют “запертой” женщине общаться»), а частично парализованному мужчине – восстановить некоторые функции руки. В апреле 2016 года было объявлено, что связывание участка двигательной коры головного мозга с электродами на специальном рукаве позволило ему наливать жидкости из бутылок и играть в музыкальную видеоигру Guitar Hero.
Электроды способны восстановить и осязание. В октябре 2016 года исследование показало, что мужчина с квадриплегией благодаря электродам в соматосенсорной коре через роботизированную руку смог почувствовать, будто трогает предметы. Но прогресс не ограничивается мозговыми имплантами. Электродные насадки на голове позволили парализованным людям ходить. Насадки передают мозговые сигналы в экзоскелет, который надевают примерно как брюки, и он движется при получении сигнала. Даже экзоскелет нужен не всегда. В 2015 году парализованный мужчина научился ходить без него, благодаря насадке ЭЭГ, посылавшей сигналы в электроды, имплантированные в ноги и стимулирующие мышцы.
Двусторонняя коммуникация
Не так давно ученые начали работать над двунаправленным интерфейсом, сочетающим возможности ввода и вывода. Такие импланты стали бы искусственными связями для передачи информации между двумя участками нервной системы, которые были разорваны травмой. Сейчас тестируют двунаправленный интерфейс, соединяющий головной и спинной мозг у обезьян. Животным вводят препарат, временно разрывающий связи двигательной коры, что симулирует эффект инсульта и парализует руку обезьяны. При соединении нейронов выше неактивного участка с электрической стимуляцией в спинном мозге способность обезьяны брать предметы рукой восстанавливается. Было даже выдвинуто предположение, что двунаправленные импланты способны восстановить когнитивные функции, такие как память, при помещении соединений входа и выхода на гиппокамп, участок мозга, значимым образом задействованный в формировании воспоминаний.
Другое любопытное применение двунаправленных нейронных интерфейсов – это изменение прочности связей между участками мозга – феномен, известный как нейропластичность. Здоровый мозг делает это естественным образом: то, что мы узнаем каждый день, отражается в изменении связей между сигналами, входящими из мира и посылаемыми обратно. Именно такое взаимодействие стоит за физическими изменениями мозга, которые позволяют учиться. С двунаправленными нейронными интерфейсами мы можем менять отношения между входом и выходом, а значит – менять мозг.
Это основано на идее, которую нейроученый Дональд Хебб высказал в 1940-х годах, – ее часто формулируют так: «Нейроны, которые разряжаются одновременно, связываются друг с другом». Другими словами, когда две сети мозга активны одновременно, нейронные связи между ними укрепляются. Так как двунаправленный интерфейс искусственно связывает входы и выходы, он должен усилить связи мозга между этими участками.
Эксперименты над обезьянами показали, что это действительно работает. Участки в коре, отвечающие за различные движения руки (например, согнуть или выпрямить кисть) оказались связаны. В течение нескольких дней они были соединены с помощью двунаправленного интерфейса. Впоследствии в мозгу обнаружили новую схему движения, что позволило сделать вывод о формировании нового пути, связывающего участки.
Становится все понятнее, что нейроные импланты по-разному используют нейропластичность. Когда мозг учится контролировать роботизированную руку с помощью импланта, он эффективно приобретает новый навык, наподобие того, как пользоваться инструментом. Даже если нейроны, управляющие роботизированной рукой, не перемещали настоящую руку именно таким образом, мозг достаточно умен, чтобы разобраться, как это сделать, сопоставив результаты. Действительно, если обезьянам показывают курсор компьютера, который приводится в движение одним-единственным нейроном, всего за несколько минут они учатся повышать и снижать активность этого нейрона для достижения различных целей. Примечательная способность мозга учиться через «обратную нейронную связь» – это ценная способность, которую стоит исследовать при подключении устройств к мозгу.
Теоретически, если считать нейронные импланты инструментами, мы не ограничены заменой утраченных функций. Однажды мы сможем усилить функции или добавить новые. Возможно, мозг научится подсоединяться к компьютерам напрямую и получать информацию из всемирной паутины без клавиатуры и монитора. Или даже подключаться к мозгу других людей и передавать мысли.
На данном этапе все это во многом остается научной фантастикой, но наше преимущество в том, что мы подключены к самой умной обучающейся машине в известной Вселенной. Наша способность проектировать и использовать множество инструментов своими руками привела к эволюции человеческого вида. Возможно, мы становимся свидетелями следующего этапа эволюции, когда мозг подключается к технике напрямую.
Первые домашние мозговые импланты позволяют «запертой» женщине общаться
В 2016 году парализованная женщина стала первым человеком, применившим интерфейс «мозг – компьютер» дома, в повседневной жизни. «Быть первой неповторимо», – сказала Ханнеке де Брюйне New Scientist. У де Брюйне боковой амиотрофический склероз (БАС) – заболевание, уничтожающее нервные клетки. «Все мышцы парализованы, я могу двигать только глазами», – говорит де Брюйне.
«Она практически полностью заперта», – говорит Ник Рэмзи из Института нейронаук им. Рудольфа Магнуса при Медицинском центре в Утрехте, Нидерланды. Когда Рэмзи встретился с де Брюйне, она общалась с помощью устройства, отслеживающего направление взгляда. С ним она выбирала буквы и печатала слова на экране. Пока что это работает, но каждый третий человек с БАС теряет способность двигать глазами. Исследователи по всему миру разрабатывали системы, которыми мозг управлял бы напрямую.
Эти устройства считывают активность мозга и переводят ее в компьютерные сигналы, в частности на роботизированной конечности. Но на данном этапе ни одно из них не получается использовать в повседневной жизни. В интерфейсе, созданном командой Рэмзи, электроды закрепляются на поверхности мозга, сразу под черепом. Электрод фиксирует мозговую активность, и сигнал идет по проводу к маленькому устройству наподобие шагомера, вживленному под кожу на груди. Беспроводной имплант посылает сигнал на планшет, трансформирующий его в простой «клик». Другие программы на планшете позволяют использовать клик для различных вещей – для игр или программ подбора слов и общения.
В прошлом году де Брюйне вызвалась стать волонтером для внедрения системы. «Я хочу, насколько это возможно, улучшить жизнь таким, как я», – говорит она. Группа ввела электрод в участок мозга, контролирующий движения правой руки. После множества уроков, которые включали игры, такие как «ударь крота» и «понг», де Брюйне научилась нажимать клик, воображая движение руки. Через шесть месяцев она добилась точности 95 %.
Далее группа Рэмзи хочет разработать программу, которая переведет клики в другие функции. «Моя мечта – научиться управлять инвалидным креслом», – говорит де Брюйне.
