Глава 10

Технология

ВОПРОС:

Можно ли использовать компьютер для управления работой мозга?

ОТВЕТ:

В каком-то смысле, да. Стимуляцию мозга можно использовать для активации (или для подавления активности) определенных участков мозга. В наше время для этого почти всегда применяют компьютерные программы. Именно так осуществляют стимуляцию глубинных областей мозга для устранения симптомов болезни Паркинсона. В настоящее время проходят клинические испытания, в которых проверяются те же методы в лечении депрессии или синдрома навязчивых состояний. Эти лечебные вмешательства требуют введения электродов в ткань головного мозга, но его можно стимулировать и снаружи, используя электрические, магнитные или ультразвуковые стимулы. Таким образом, компьютер действительно можно использовать для управления движениями, настроением и поведением. Хорошо это или плохо, зависит от личных пристрастий.

Прежде чем впадать в панику, давайте попробуем взглянуть на вещи трезво и непредвзято. Во-первых, по крайней мере, в наши дни, управлять вашим мозгом невозможно без вашего на то разрешения. Для того чтобы управлять мозгом, надо либо ввести в его ткань электроды, либо поместить рядом с головой соответствующий прибор, но (по закону) никто не имеет права принудить вас к этому силой. Кроме того, невозможно управлять вашим мозгом с помощью радиоволн или иных дистанционных стимулов так, чтобы вы об этом не догадывались. Так что, если вы не хотите, чтобы ваш мозг контролировали, то вы можете легко этого избежать. Во-вторых, контролировать работу какой-то части мозга – это совсем не то же самое, что контролировать весь мозг целиком. Мало того, контролировать работу мозга – это не значит контролировать сознание. Озабоченность возможностью контроля мозга, вероятно, обоснована, но мы живем не в реалиях научно-фантастического триллера, и поэтому выбросьте шляпу с подкладкой из алюминиевой фольги.

ВОПРОС:

Могут ли ученые читать чужие мысли?

ОТВЕТ:

Это сложный и, скорее, не научный, а философский вопрос. С помощью соответствующего оборудования ученые могут расшифровывать часть того, что происходит в человеческом мозге. Однако те выводы, которые может сделать ученый, далеки от описания сложного внутреннего состояния, которое большинство из нас именует сознанием и «мыслями». Например, электроды, введенные в ткань мозга, наложенные на двигательную кору или на соответствующие участки кожи головы, могут улавливать нервные сигналы, управляющие движениями мышц какой-то определенной части тела.

Объем информации о том, когда, как и какая часть тела вовлечена в стимуляцию, зависит от того, куда именно введены электроды: например, электроды, введенные в ткань мозга, позволяют получить больше информации, чем электроды, наложенные на кожу головы. Сигнал можно зарегистрировать до того, как начинается задуманное движение, и поэтому ученые часто говорят, что могут расшифровать намерение сделать какое-то движение. Сигнал подается даже в тех случаях, когда человек не способен совершить реальное движение, например, при повреждении спинного мозга или при остром нарушении мозгового кровообращения (инсульте). Это означает, что есть возможность зарегистрировать двигательный сигнал, а затем использовать его для управления работой какого-то внешнего устройства – например, компьютера или протеза конечности.

Означает ли это возможность читать мысли и проникать в сознание? Возможно, в какой-то степени, да. Этим примером отнюдь не исчерпывается та информация, которую ученые могут «вычитать» в вашем мозге. Записывая импульсы от разных частей мозга, ученые могут определить, узнали ли вы какой-то предъявленный вам предмет или вы сделали ошибку, пытаясь выполнить какую-то поисковую задачу. Опять-таки, это не то, что люди представляют себе, когда речь заходит о чтении мыслей. Могут ли ученые расшифровать поток вашего сознания? Нет. Будет ли это когда-нибудь возможным? Вероятно, да.

Сознание – это, с точки зрения психологии, способность формировать гештальты – целостные образы, которыми оно и оперирует. Гештальт трудно определить и трудно исследовать. По мере прогресса науки и усовершенствования технологии нам, возможно, удастся расшифровать большую часть функций головного мозга. Это может открыть массу головокружительных возможностей, но при этом люди могут поплатиться неприкосновенностью частной жизни, и это не может не вызывать тревогу. К счастью, в отличие от чтения мыслей, исследование функций мозга позволяет отчетливо их определить, и открыто обсуждать заранее допустимость их исследования у человека.

ВОПРОС:

Возможно ли увидеть то, что происходит в живом мозге?

ОТВЕТ:

Во-первых, надо сказать, что есть доступная возможность вскрыть черепную коробку живого человека и посмотреть на его живой и работающий мозг. Нейрохирурги делают это ежедневно. Тем не менее, взгляд на живой мозг в такой ситуации дает мало информации о его функциях и о том, что именно в нем происходит. Поэтому, надо уточнить терминологию и задать вопрос по-другому: возможно ли визуализировать деятельность мозга? Ответ: да, в некотором смысле это возможно.

Совокупность различных методов позволяет узнать, какие отделы мозга активируются в разных условиях. Все вместе эти методы называют методами нейровизуализации. Все эти методы позволяют оценить текущую активность мозга, но они значительно отличаются друг от друга. Во-первых (и это самое важное), каждый метод выявляет вполне определенный тип активности. Например, такие методы, как электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ), позволяют регистрировать сигналы, генерируемые нейронами мозга. Это прямая запись того, что делает сам мозг. Другие методы, например, функциональная МРТ (фМРТ), позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) или однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) позволяют регистрировать явления, возникающие вследствие усиления активности нейронов (усиления кровотока или метаболизма в тех или иных участках мозга), но не саму активность. Эти последние методы, таким образом, определяют не совсем то, что делает сам мозг. Другая существенная разница заключается в скорости, с которой разные методы могут регистрировать происходящие в мозге изменения. ЭЭГ и МЭГ регистрируют электрические и электромагнитные сигналы, которые распространяются практически со скоростью света, и поэтому позволяют исследовать активность мозга в режиме реального времени. Другие методы отличаются большей инертностью, так как наборы полученных данных обрабатываются в течение нескольких секунд, а это довольно медленно в сравнении со скоростью деятельности мозга. И, наконец, методы визуализации различаются между собой по тому, активность каких участков мозга они могут регистрировать. С помощью ЭЭГ и МЭГ можно регистрировать лишь активность поверхности головного мозга, а это существенно ограничивает их возможности. ПЭТ, фМРТ и ОФЭКТ могут регистрировать активность всего мозга.

В клинике очень широко используют ЭЭГ – для мониторинга состояния и с диагностическими целями. Например, ЭЭГ позволяет надежно диагностировать эпилепсию и следить за эффективностью проводимого лечения, так как обеспечивает быструю регистрацию активности коры мозга. ПЭТ применяют для диагностики онкологических заболеваний. ОФЭКТ тоже используют для диагностики опухолей и некоторых других заболеваний – например, болезни Паркинсона, которая поражает глубинные структуры мозга. Функциональную МРТ применяют для картирования функций мозга перед нейрохирургическими операциями.

В последнее время эти методы исследования проводят одновременно (что иногда вызывает определенные технические сложности) для того, чтобы получить максимум информации.

ВОПРОС:

Возможна ли пересадка головного мозга?

ОТВЕТ:

Нет, пересадка головного мозга невозможна, но теоретически возможна пересадка головы. Правда, не совсем ясно, следует ли говорить о пересадке головы или о пересадке всего тела. Однако, в любом случае, речь идет о трансплантации головы одного человека к телу другого. Это единственная, теоретически возможная тактика в отношении людей. Однако в ряде трудных и иногда обескураживающих экспериментов пересадки головы были осуществлены на животных.

Первым экспериментом такого рода явилась пересадка головы одной собаки на шею второй, здоровой собаки. Систему кровообращения второй собаки использовали для кровоснабжения головы первой собаки. Такие операции проводились не один раз и оказались на удивление успешными. Обе собаки – и донор и реципиент, жили несколько дней, но потом погибали из-за тканевой несовместимости и реакции отторжения. Успешность этих операций удивляет еще и потому, что они были выполнены в начале двадцатого века. В начале семидесятых годов нейрохирург Роберт Уайт выполнил успешную пересадку головы от одной обезьяны другой. После операции, продолжавшейся восемнадцать часов, животное прожило несколько дней, сохранив способность к зрению, слуху, обонянию и осязанию. Животное даже пыталось кусать экспериментаторов. Вторую подобную пересадку головы Уайт выполнил в 2001 году и выразил надежду на то, что скоро наступит время, когда можно будет пересаживать головы людей, тела которых пришли в негодность из-за терминальных стадий различных болезней.

Конечно, в этой ситуации человек окажется парализованным ниже шеи и будет на всю жизнь привязан к аппаратам жизнеобеспечения. Дело в том, что мы пока не располагаем техниками соединения головного мозга реципиента со спинным мозгом донора. В этом случае тело донора будет всего лишь источником кислорода и питательных веществ для пересаженной головы. Даже для жаждущих бессмертия такая перспектива может показаться неприемлемой.

Идея пересадки головы почти повсеместно встречает неприятие и страх – как в научных, так и в общественных кругах. Несмотря на такое отношение, нашлись люди, которые запланировали на 2017 год первую операцию трансплантации головы одного человека на тело другого. Итальянский нейрохирург Серджо Канаверо объявил о том, что собирается в Китае пересадить голову русского пациента, страдающего тотальной мышечной атрофией, на тело здорового донора. Канаверо утверждает, что сможет соединить головной мозг реципиента со спинным мозгом донора так, чтобы у головного мозга сохранилась способность управлять движениями и функциями тела. Остается только посмотреть, действительно ли эта операция будет сделана, и, если да, то насколько успешной она окажется. Неизвестно, какую реакцию она вызовет – восхищение чудом или всеобщее отвращение и неприятие? (по сообщениям информационных агентств, данная операция была проведена в конце 2017 года, подробнее см. в новостных лентах – прим. редактора).

Библиография

Canavero, S., HEAVEN: The Head Anastomosis Venture Project outline for the first human head transplantation with spinal linkage (GEMINI), Surgical Neurology International 4(S1):S335-42, 2013.

ВОПРОС:

Можно ли восстановить зрение у слепого человека?

ОТВЕТ:

В какой-то степени, да, возможно. В последние десятилетия были изобретены и изготовлены приборы, позволяющие взаимодействовать с нервной системой на различных участках зрительного тракта. Важно при этом понимать, что вы видим глазами, но изображение воспринимаем мозгом.

Электрическая стимуляция нейронов в любом участке зрительного тракта приведет к формированию зрительного восприятия, но картины этого восприятия будут разниться в зависимости от конкретного места стимуляции. Энергия света преобразуется в нейронный электрический сигнал, когда свет падает на сетчатку, слой ткани (фактически, это часть головного мозга) на внутренней поверхности глазного дна. Зрительный сигнал покидает глаз по зрительному нерву и делает промежуточную остановку в таламусе (зрительном бугре), а затем передается дальше, в зрительную кору.

Сетчатка является излюбленным местом установления оптических протезов по двум основным причинам. Во-первых, сетчатка – это самое начало зрительного тракта, что означает возможность (во всяком случае, теоретическую) воспользоваться сохранившимися механизмами естественной обработки зрительных сигналов головным мозгом. Во-вторых, установление протеза сетчатки не требует выполнения нейрохирургической операции со вскрытием черепной коробки, что представляет определенный риск. Идея установления протеза сетчатки заключается в замещении светочувствительных клеток (фоторецепторов) и в непосредственной стимуляции передающих раздражение от сетчатки нейронов. Наружная камера воспринимает оптическую информацию, которая затем обрабатывается портативным компьютером и передается на панель электродов, имплантированных в сетчатку. Конечно, число электродов намного меньше, чем число естественных фоторецепторов, но, тем не менее, больные с такими протезами могут ориентироваться на местности, различать предметы и даже читать крупный шрифт. Это стало возможным только благодаря тому, что мозг обладает феноменальной способностью обрабатывать любую поступающую в него информацию. Первый ретинальный имплант «Аргус II» был одобрен Управлением по контролю пищевых продуктов и лекарств США в 2013 году.

Естественно, для того, чтобы можно было использовать такой имплант, надо, чтобы была сохранной сетчатка. Двумя ведущими причинами слепоты в США являются макулярная дегенерация сетчатки и пигментный ретинит. В обоих случаях происходит гибель фоторецепторных клеток при сохранении остальных отделов сетчатки и ее нервного аппарата. В этих случаях имплантация протеза вполне оправдана и эффективна. Однако если слепота обусловлена потерей глаз, то никакие импланты не помогут, и больной останется пребывать во мраке. Тем не менее, зрительный тракт можно стимулировать и на других уровнях. В серии интересных экспериментов нейрофизиолог Вильям Добель с помощью нейрохирургов устанавливал согласным платить больным корковые зрительные протезы. У некоторых больных это позволило в какой-то мере восстановить зрение. Один из пациентов даже смог на камеры журналистов припарковать машину на стоянке. К сожалению, проект был остановлен по моральным соображениям. Сам Добель неожиданно умер, фактически оставив на произвол судьбы своих больных, и не оставил после себя преемников, которые могли бы продолжить его работу. Дело в том, что все импланты отказывали после некоторого времени работы. Хуже того, сами импланты вызывали серьезные расстройства здоровья, из-за чего приходилось платить дополнительные деньги для того, чтобы удалять устройства. Это, конечно, может вызвать неприятие корковых имплантов, но все же вспомните: они работали! Другие группы ученых сейчас работают над корковыми зрительными протезами, проявляя при этом больше социальной ответственности. Кроме того, были разработаны модели протезов, имплантируемых в зрительный нерв, а также предложены протезы для имплантации в таламус.

ВОПРОС:

Что такое кохлеарный имплант?

ОТВЕТ:

Кохлеарный имплант – это устройство, в котором электрическую стимуляцию нерва используют для компенсации тяжелой тугоухости или глухоты. Такие импланты эффективны только у тех больных, у которых глухота наступила вследствие повреждения специализированных акустических рецепторов – волосковых клеток, расположенных в улитке (по-гречески, улитка – «кохлеа»). Устройство, тем не менее, очень полезно, потому что в большинстве случаев глухота развивается в следствие гибели волосковых клеток или врожденных аномалий их развития.

Волосковые клетки могут повреждаться под воздействием громких звуков, заболеваний и даже вследствие приема некоторых лекарств. К сожалению, волосковые клетки не восстанавливаются – если они погибли, то погибли навсегда (так что, подумайте, прежде чем надевать на голову динамики). Кохлеарные импланты замещают волосковые клетки, так как улавливают звуки и преобразуют их в электрические сигналы, которые умеет интерпретировать нервная система. Проблема оказалась решаемой, потому что волосковые клетки, воспринимающие звуки высоких частот, находятся в одном конце улитки, а волосковые клетки, воспринимающие звуки в области низких частот, находятся в другом конце улитки. Все промежуточные частоты располагаются между этими двумя полюсами. Такая организация называется тонотопической картой. Знание принципов картирования позволяет предвидеть, восприятие какого звука вызовет стимуляция определенного участка улитки (кортиева органа).

Во время операции установления импланта в улитку вставляют продолговатый стержень, усеянный рядом электродов. Эти электроды стимулируют улитковый нерв преобразованными в электрические сигналы звуки, уловленные наружным микрофоном. Удивительно, но эта система превосходно работает. Несмотря на то, что число имплантированных электродов очень мало в сравнении с числом волосковых клеток, люди с имплантом способны понимать человеческую речь, даже не видя собеседника (например, по телефону). Это еще раз подтверждает старую истину о том, что мозг обладает удивительной способностью использовать любую полученную им информацию.

Кохлеарные импланты могут оказаться полезными как в случаях приобретенной, так и врожденной глухоты. Люди, страдающие врожденной глухотой, должны получить имплант как можно раньше, лучше всего – в младенчестве, в идеале – в возрасте двух лет. Дело в том, что мозг проходит так называемый критический период в становлении способности воспринимать слуховую информацию. Если в течение этого периода (а он наступает очень рано) мозг не получает слуховой информации, то не усваивается навык обработки этой информации, и это приводит к трудностям при решении вопроса о показаниях к операции. Отнюдь не все считают, что установление импланта – наилучший выход из ситуации. Интересно, что некоторые члены сообщества глухих не считают глухоту болезнью, которую надо лечить, и поэтому выступают против установления кохлеарных имплантов. Однако проблема усложняется тем, что в большинстве случаев глухие дети рождаются у здоровых родителей, а решение принимать должны люди, которые не представляют себе, что такое глухота. К несчастью, невозможно ждать, когда ребенок сам примет решение, потому что к этому моменту будет слишком поздно. Это ставит родителей в трудное положение, ведь им приходится решать, что лучше для их ребенка.

ВОПРОС:

Что такое компьютерно-мозговой интерфейс?

ОТВЕТ:

Компьютерно-мозговой интерфейс – это устройство, напрямую соединяющее какую-либо часть нервной системы с окружающим миром. Эти устройства очень холодны и противоестественны.

В принципе, компьютерно-мозговой интерфейс не имеет отношение ни к мозгу, ни к компьютеру, так что сам термин является весьма неудачным. Наверное, вы слышали, что этим словосочетанием называют машинно-мозговые интерфейсы или управляемые мозгом интерфейсы. Все дело в том, что ученые не любят использовать термины, придуманные неспециалистами. «Прямой нервный интерфейс» – более точное, хотя и менее употребительное наименование; нейропротез – это то же самое, но подразумевает некое медицинское устройство.

Оставим в покое терминологию и попробуем разобраться, что же все-таки делает это устройство? Вспомним, что наша нервная система связана с окружающим миром посредством остального тела. Мышцы сокращаются – либо целенаправленно, либо автоматически – подчиняясь командам центральной нервной системы, и только таким образом мы можем оказывать какое-то воздействие на окружающую среду. Мы, благодаря этому, можем подбирать с пола предметы, сгибать руки и ноги, указывать на интересующие нас предметы и перемещаться в пространстве. В той же мере наши органы чувств – глаза, уши, нос, кожа, язык – улавливают важные физические свойства внешнего мира (и внутренней среды тела) и преобразуют их в электрические сигналы, которые затем и обрабатываются нервной системой. Организм умеет отлично это делать, но это не единственное, что он может. У нас есть и другие способы воздействия на окружающую среду (например, с помощью роботов) и другие способы восприятия того, что происходит в окружающем мире (например, с помощью термометра). Если мы научимся получать информацию непосредственно с помощью нервной системы и производить действия только за счет команд нервной системы, то мы сможем обходиться без тела.

Вы можете недоуменно спросить: «Кому все это интересно?» Если ответ в стиле «но мы же это можем!» вас не убеждает, подумайте о медицинском аспекте этого вопроса. Наше тело великолепно, когда оно нормально работает, но, к несчастью, оно не всегда нормально работает. Тело может быть повреждено травмой или болезнью, а это ограничивает наши возможности взаимодействия с окружающим миром. Многим знаком пример людей, перенесших перелом позвоночника и разрыв спинного мозга. Такие люди страдают параличами и потерей чувствительности. Есть масса других заболеваний, включая инсульт, нейродегенеративные заболевания, травматические поражения головного мозга и ампутации. Такие ощущения, как зрение или слух, тоже могут страдать от многих причин, начиная с высокой лихорадки, рака, и заканчивая громкой музыкой.

В большинстве случаев компьютерно-мозговой интерфейс помогает в реабилитации больных, восстанавливая зрение или слух, позволяя прикованным к постели больным общаться с другими с помощью компьютера, управлять робототехническими конечностями или сохранять равновесие людям с патологическим головокружением. Некоторые из этих приспособлений не являются инвазивными, то есть для присоединения их к телу не надо выполнять хирургические операции – устройства крепятся к телу и легко снимаются для замены или отдыха. Есть, однако, устройства, которые присоединяются к имплантам, установленным в ходе хирургических операций. Объединяет все эти устройства то, что они, конечно же, не могут в полной мере заменить природные органы. Но и эти устройства способны на многие удивительные вещи, не говоря о том, что они постоянно совершенствуются. Нет ничего невероятного в предположении, что люди, возможно, захотят использовать такие устройства для усиления своих способностей. Как бы ни называть их, но компьютерно-мозговые интерфейсы, скорее всего, будут важной частью нашего будущего.

ВОПРОС:

Что такое стимуляция мозга?

ОТВЕТ:

Идея, лежащая в основе стимуляции мозга, заключается в насильственной активации некоторого набора нейронов с помощью приложенной извне энергии. Обычно стимуляцию мозга выполняют для того, чтобы получить вполне определенный ответ на стимуляцию в процессе изучения свойств головного мозга. Во многих случаях такой ответ является в каких-то отношениях желательным. В некоторых случаях стимуляция помогает восстановить чувствительность к свету, звукам или прикосновению; в других случаях стимуляция может прекратить тремор, вызванный каким-либо неврологическим заболеванием. В некоторых случаях искусственная стимуляция может подсказать исследователю, что данный участок мозга делает в реальной жизни. Например, если при стимуляции определенного участка мозга дернулась нога, то, скорее всего, этот участок мозга отвечает за движения нижней конечности.

Ответ на вопрос «почему?» оставляет незамеченным вопрос «как?». По традиции, на него отвечают: «Посредством электричества». Когда речь идет о стимуляции мозга, электричество показало свои полезные свойства. Во-первых, мы уже давно знакомы с электричеством. Мы знаем, как его производить и как направить ток туда, куда мы хотим его направить. Это и в самом деле очень полезно. Но еще важнее то, что мозг и сам использует электричество в качестве языка общения нейронов. Мы пока не умеем бегло говорить на этом языке, но кое-как общаться на нем уже научились. Отчетливость наших посланий зависит от того, где расположены электроды (на коже головы, на поверхности самого мозга или в его глубинных структурах) и от метода стимуляции. У применения тока могут быть побочные эффекты, включая ожоги тканей или механическое повреждение мозга. Таким образом, электрическая стимуляция мозга – это далекий от совершенства метод исследования, и не стоит заниматься ею в домашних условиях.

Конечно, существуют и другие способы стимуляции головного мозга. Самая простая форма – это механическая стимуляция. Возможно, в популярных представлениях этот способ стимуляции является основным, но, на самом деле, ни в клинической практике, ни в науке этот метод стимуляции в настоящее время не используется. В качестве распространенной формы стимуляции в настоящее время используют магнитную стимуляцию, которая, в сущности, очень близка электрической. Недавно в качестве неинвазивного стимулирующего агента стали использовать ультразвук. Слово «неинвазивный» говорит лишь о том, что ультразвуковая стимуляция не требует хирургического вмешательства, но ничего не говорит о безопасности метода. Мозг можно стимулировать светом, хотя многие нейроны совершенно к нему нечувствительны (что не удивительно, потому что в полости черепа царит непроглядный мрак), поэтому для того, чтобы сделать их чувствительными к свету, надо выполнить над ними кое-какие генетические манипуляции. Эта область стимуляции носит, поэтому, название «оптогенетики». С этической точки зрения в данной ситуации могут возникнуть сложности, и поэтому эта методика в настоящее время не используется при исследовании человеческого мозга.

В целом, стимуляция головного мозга – это полезный инструмент, но весьма сложный. Мы плохо знаем, как он работает и как он влияет на нервную систему в долгосрочной перспективе при длительном применении.