Глава
5
Усиление мозга
Джим Эвинг вернулся с семьей из отпуска на Каймановых островах совершенно другим человеком. Инженер в компании, выпускающей альпинистские тросы, он занимался скалолазанием с подросткового возраста. Эвинг карабкался на скалы, нависающие над океаном, когда из-за лопнувшего бракованного троса упал с 15-метровой высоты на острый утес. Весь следующий год ушел на лечение травм: перелом таза, перелом кисти со смещением и ушиб легкого. Несмотря на многочисленные операции и лечебную физкультуру, левая нога Джима, серьезно пострадавшая от удара, по-прежнему причиняла ему невыносимую боль и не позволяла выполнять самые простые действия, необходимые в повседневной жизни. Он не мог даже надеть носки, не пережив приступа жестокой боли, и уже потерял всякую надежду вернуться хотя бы к какому-то подобию прежней активной жизни. Эвингу предстояло принять тяжелое решение: сохранить ногу или сдаться? Пройти через ампутацию и начать новую жизнь, зависимую от протезов? Это решение его ужасало.
Как инженер Эвинг продолжал искать возможные медицинские решения, но особых надежд не питал. Он вспомнил, что один из товарищей-альпинистов, имеющий протезы ног, сопровождал его в восхождениях на самые труднодоступные вершины Новой Англии. Джим решил с ним связаться.
Приятель Эвинга Хью Герр, теперь профессор, возглавляет группу биомехатроники в Медиалаборатории МТИ. Он предложил совершенно иной взгляд на будущее Эвинга. Хью работает на переднем крае разработки “умных” протезов и глубоко заинтересован в развитии этой отрасли: в 1982 г., в возрасте 17 лет, он потерял обе ноги во время несчастного случая в горах. После травмы Хью решил снова вернуться в горы, но примитивные протезы того времени делали это желание несбыточной мечтой. Они не обеспечивали никаких вспомогательных сил, которые мы получаем от суставов и мышц, и, разумеется, не имели связи с нервной системой. Эти протезы давали достаточную устойчивость, чтобы человек мог держаться прямо и двигаться, но даже и близко не предоставляли той подвижности, которая нужна для альпинистских восхождений.
Тем не менее Герр не отказался от своей мечты. Вместо этого он взял дело в собственные руки. Еще учась в школе, Хью начал создавать ножные протезы, которые позволят ему снова карабкаться по горам, и впервые в жизни был серьезно настроен по поводу своих исследований. Он закончил школу, а потом изучал физику в местном колледже. Герр учился достаточно хорошо, чтобы поступить на постдипломную программу обучения в МТИ, а затем и в Гарвард, где изучал инженерную механику и биофизику и добился глубокого понимания механического и математического моделирования движения и силы. После получения степени PhD Хью вернулся в МТИ, где сосредоточился на разработке и создании нового, революционного поколения компьютеризированных протезов. Сегодня с помощью своих искусственных ног, которые он сам и придумал, Герр снова с большим энтузиазмом и профессиональным мастерством занимается альпинизмом и передвигается так грациозно, что никто и предположить не может, что его конечности не являются биологическими. Хью превратился в один из маяков фантастических технологий будущего, которые могут вернуть людей с ампутированными конечностями или параличом к полностью подвижной жизни.
Герр воспринял звонок Эвинга как судьбоносный момент. Он как раз трудился над проектом разработки приспособления, которое вместе с новым методом ампутации обеспечивало взаимодействие пациента с роботизированным протезом. Эвинг все еще разрывался между имеющимися у него вариантами.
Компьютеры и механизмы в разработанных Герром голенях с потрясающей точностью повторяют функции обыкновенного человеческого голеностопа. Движение стопы или руки или любое наше действие – продукты сложной двигательной системы. Она задействует нервную систему и мышцы, чтобы перевести наши намерения – например, решение подняться на один лестничный пролет – в моторную программу, которая состоит из чрезвычайно сложных заданий с высокой степенью точности и очень маленькой доли активного мышления. Мы осознаем некоторые из компонентов этой системы, в то время как функция других, в сущности, осуществляется автономно, намного ниже нашего обычного уровня восприятия.
Возьмем очень простое действие: вы сидите, положив правую ногу на левую. Если же хотите вытянуть или распрямить затекшую правую ногу, то делаете это, активировав икроножные мышцы. Чтобы выполнить эту кажущуюся простой задачу, вы не контролируете детально все нервные и мышечные процессы. Чтобы опустить ногу вниз, вам не нужно отдавать икроножным мышцам команду сжаться и не нужно указывать мышцам передней части голени, чтобы они расслабились и не сопротивлялись действию. Вы осознаете свое намерение, и это инициирует действие, при этом вы сознательно не воспринимаете многие этапы его воплощения.
Если я убедила вас положить ногу на ногу и провести этот маленький эксперимент, то соответствующие мышцы, поднимающие или опускающие стопу, активируются с помощью сигналов, полученных от нервных клеток в вашем спинном мозге. Эти нервные клетки напрямую активируют мышцы и называются двигательными нейронами. Они находятся в спинном мозге – длинном столбе нервной системы, который тянется от головного мозга вниз по центру спины. Тела клеток двигательных нейронов, которые, в сущности, являются их “операционной базой”, содержат ядра клеток (с их ДНК) и бóльшую часть аппарата, который поддерживает деятельность клетки (например, считывание ДНК и построение по ней РНК и превращение РНК в белки). У каждого двигательного нейрона есть длинный, тонкий отросток, который называется аксоном и отходит от спинного мозга. Тысячи аксонов двигательных нейронов соединяются друг с другом в нервы, достигающие отдельных мышц и обеспечивающие связь с нервной системой, управляющей мышцами.
Помимо двигательных нейронов спинной мозг состоит из мириад других нейронов, которые взаимодействуют друг с другом и формируют нейронные цепи, управляющие нашими движениями. Двигательные нейроны отвечают за сокращение мышц, а чувствительные нейроны в мышцах и сухожилиях суставов передают информацию о деятельности мышцы – к примеру, сжимается она или растягивается – обратно в спинной мозг. Для того чтобы совершить желаемое действие, сигналы от спинного мозга к мышцам и от мышц к спинному мозгу уравновешиваются. Координация элементов движения вашего голеностопа, таких как взаимная активация мышц, которая заставляет ступню опускаться, и торможение мышц, которое ее поднимает, происходит внутри спинного мозга. И бóльшая часть этих “согласований” является ответной реакцией, приспособлением к положению и движению самого голеностопа.
Когда конечность отсутствует, связь со спинным мозгом не может больше поддерживать никакую деятельность. Протез не может отзываться на ваши намерения. Тем не менее Герр запрограммировал компьютер в своих искусственных голенях так, чтобы он имитировал движения обычного голеностопа, по сути воспроизведя тот вид обратной связи, которой головной и спинной мозг обмениваются, когда человек изменяет манеру ходьбы или приспосабливается к неровностям поверхности, по которой идет, например по склону. Чтобы разработать протезы голени, Герр изучил биологию ходьбы, используя передовую технологию распознавания, чтобы следовать за движениями голени и всей ноги. Также он измерил энергию, которую человек использует при ходьбе – и на данных природой конечностях, и на пассивных протезах, – и увидел, что разница между этими двумя показателями просто огромна. Он измерил, сколько силы прилагает нормальная голень во время “толчкового” этапа ходьбы, когда находящаяся сзади нога отрывается от тротуара, чтобы перенестись вперед. Жесткие протезы ног, лодыжек и ступней могут обеспечить устойчивость, но не дают дополнительных степеней свободы, и люди, использующие их, вынуждены прилагать невероятные усилия, чтобы перенести протезы на нужное место при каждом следующем шаге вперед.
Герр смоделировал эти биологические факторы в компьютеризированном протезе голени, последнюю версию которого он назвал EmPower. Ходьба с EmPower требует не бóль-ших усилий, чем ходьба с биологическими конечностями. Это выдающееся достижение и продвижение на качественно новый уровень жизни для таких людей, как сам Герр, не говоря о ветеранах, которые возвращаются к жизни и работе после ранений, полученных на поле боя. Тем не менее, хотя протез EmPower отлично подходит для ходьбы, он не позволяет своим владельцам, скажем, притопывать ногами под музыку. Это проблема более высокого порядка – одна из многих, над которыми Герр работает в своей лаборатории биомехатроники. Желая узнать больше, однажды я нанесла туда визит.
Лаборатория представляет собой маленькую двухэтажную мастерскую, набитую оборудованием и запчастями. Войдя в нее, я прошла мимо лабораторных столов, где стояли различные устройства и инструменты, протезов конечностей разного дизайна и беговых дорожек, оборудованных целыми батареями компьютеров, каждый из которых был запрограммирован так, чтобы с большой точностью измерять скорость, усилие и угловое положение каждого сустава ноги во время ходьбы или бега. По винтовой лестнице в одном из углов мастерской я поднялась на верхний уровень с кабинетами – архитектурная уловка для того, чтобы увеличить объем лаборатории. В маленьком скромном кабинете Герра были только стол, стулья и несколько ножных протезов у стен.
Герр посвятил свою лабораторию и свою жизнь тому, чтобы заложить будущее всего ассортимента технических средств реабилитации инвалидов: разъемы, соединяющие устройство с культей; протезы, движения которых повторяют движения естественных конечностей; приспособления, распознающие сигналы в мышцах так, что тот, кто их носит, может двигать искусственной конечностью в соответствии со своими желаниями, а также технологии нейрокомпьютерного интерфейса, который когда-нибудь соединит нервную систему с протезом, позволив человеку и двигать конечностью, и ощущать это движение. Герр считает своей целью разработку протезов рук и ног, соединенных с нервной системой, что восстановит полную функциональность конечностей.
Протезы голеней, которые Герр уже создал, стали символом триумфа протезирования. Со своими новыми конечностями люди, потерявшие ноги, теперь могут делать то, что любили до травмы, например гулять по улице или бродить по извилистым лесным тропинкам. Важно, что протез EmPower, в отличие от пассивных протезов голени, несет ту же полезную нагрузку, что и биологическая голень. Эта технология представляет собой шаг вперед, который может изменить все для людей, потерявших конечности. Но, как это часто случается, новые устройства не смогут реализовать свой революционный потенциал, пока мы не поймем, как перенести их из лаборатории на рынок. Для этого требуется сделать их более легкими, способными к адаптации, дешевыми и простыми в использовании. Чтобы понять, как инновации прокладывают себе путь на рынок, я побывала в одной из фирм, занимающейся новаторской работой над протезами, – в компании Össur, находящейся в Исландии.
■ ■ ■
Я прилетела в Рейкьявик, столицу Исландии, в конце октября и поселилась в отеле в центре города. В девять утра, во время очень долгого рассвета, напоминающего, насколько близко я нахожусь к полярному кругу, я вышла из отеля и направилась в офис Össur. Когда через полчаса я вошла в здание компании, солнце, по большому счету, только поднялось и бросало низкие лучи в вестибюль, ярко освещая лозунг фирмы, украшающий стену: “Жизнь без границ”. Это стало идеальной прелюдией к тому, что я увидела дальше.
После звонка, чтобы сообщить о моем приходе, секретарь, ведущий прием посетителей, пригласил меня подождать в комфортабельном холле. Повсюду были фотографии и видеоэкраны, показывающие взрослых и детей, которые носят протезы Össur. Они катались на велосипедах, забирались в горы, играли в подвижные игры и занимались обычной, повседневной деятельностью, такой, как подъем по лестнице. Для человека без руки или ноги именно эти каждодневные занятия превращаются в героические достижения. Я поймала себя на том, что глаз не могу оторвать от фотографии сияющей от счастья невесты в красивом подвенечном наряде, радостно вышагивающей рядом со своим женихом, которому через несколько секунд предстояло стать ее мужем. Жестом, естественным для любой невесты, она придерживала край своего платья, скрывающего две искусственные ноги. На соседнем видеоэкране группа веселых детей в яркой форме мчалась через спортивное поле: у некоторых было по одному протезу ноги, а у других – по два.
Мне едва хватило времени, чтобы осознать, какую жизнь могут обеспечить умные протезы, как в комнату ожидания вошли двое руководителей Össur – Хильдур Эйнарсдоттир и Ким де Рой. В течение следующих нескольких часов они познакомили меня с компанией и ее продукцией, среди которой множество самых современных, снабженных компьютерами протезов, доступных для людей с ампутированными конечностями. Де Рой задал быстрый темп ходьбы и разговора, пока мы шли в бионическую исследовательскую лабораторию Össur по длинному коридору со стеклянными стенами, откуда открывался великолепный вид на вулканическую горную гряду.
Эйнарсдоттир указала на ряд коленных протезов, управляемых компьютерами, – прототипов изделия, которое в компании называется RHEO KNEE. Оно разработано так, чтобы предугадывать движения пользователя. RHEO KNEE помогает ходить и бегать, а не просто позволяет это делать, как рудиментарные механические протезы. Я была потрясена тем, как эти протезы похожи на нарисованные на компьютере голени Хью Герра, и узнала, что это не является совпадением. Хозяева объяснили, что технология впервые появилась в лаборатории Герра, а Össur приобрела компанию, которая первой получила патент на нее.
Теперь компания делает коленные протезы для людей по всему миру. Как и голеностоп EmPower, такой протез предсказывает движения того, кто его носит, с помощью маленьких компьютеров, размещенных в RHEO KNEE, чтобы имитировать нейронные процессы, которые обычно происходят в спинном мозге. Он обеспечивает правильный отклик, когда человек двигается в различных условиях: поднимается или спускается по лестнице или горной тропе; идет медленно или быстро; садится на стул или встает с него. Встроенные в коленный протез компьютеры и электронное оборудование позволяют протезу “думать самому за себя”, давая пользователю гораздо большую подвижность по сравнению с пассивным протезом колена – ту улучшенную подвижность, которую обеспечивает и протез голени Герра EmPower.
Выход продуктов на рынок требует, чтобы протезы стоп, голеней и коленей от Össur были способны в буквальном смысле выдержать интенсивное использование, весовую нагрузку, изгибы и повороты во время движения. А в некоторых случаях они должны прослужить до конца жизни человека, поскольку медицинские страховки многих пациентов, переживших ампутацию, покрывают только одно протезирование и могут не распространяться на сервисное обслуживание или замену частей. Össur разработала RHEO KNEE как долговечное, высокочувствительное, одобренное законодательными органами устройство, которому не требуется обязательное сервисное обслуживание. Чтобы все это стало возможным, компания не только разработала коленный протез, но и нашла способ сделать его эффективным и долговечным. Изготовление каждого из них начинается с великолепного дизайна и заканчивается искусной обработкой.
Чтобы превратить дизайн в продукцию, комплекс Össur включает в себя производственное предприятие. Объясняя, как компания организует процесс производства в соответствии с упомянутыми выше требованиями, де Рой провел нас в лабораторию сборки, которая, в сущности, представляет собой фабрику. В производственных процессах, тщательно контролируемых, для достижения необходимой точности Össur использует самые высококачественные сплавы (например, те виды алюминия и титана, которые применяются при изготовлении частей реактивных двигателей) и ультрасовременное углеродное волокно. Я наблюдала, как компоненты проходят более чем через десяток станков, которые придают форму металлическим заготовкам и полоскам углеродного полотна, точат и полируют их, превращая в голени, ступни и колени. У некоторых компонентов допуск на ошибку составляет всего 8 мкм, и этот потрясающий уровень точности и прочности должен сохраняться каждый день, пока тот, кто его носит, справляется с трудностями ходьбы, восхождений, остановок и стояния в своей повседневной деятельности.
Из лаборатории сборки де Рой быстро спустился на пару лестничных пролетов в просторный, залитый солнечным светом вестибюль, который выглядел как спортивный зал с наклонными плоскостями, лестницами, гладкими и неровными поверхностями для ходьбы, велотренажерами и другим оборудованием. Это была лаборатория походки Össur. Большую часть тренажеров использовали люди, которые ходили, прыгали и крутили педали, и я поняла, что, проведя в компании несколько часов, уже не замечаю, что большинство из них носит протезы. Де Рой рассказал о некоторых трудностях, с которыми разработчикам пришлось столкнуться, чтобы люди могли надеть протез ноги и легко подниматься и спускаться по лестнице. Для демонстрации этого он приподнял штанину, спустил свой (очень модный) носок и показал мне, как его протез голени поднимает переднюю часть стопы (где когда-то находились пальцы ноги) на достаточную высоту, чтобы идти вверх по лестнице с той же скоростью, с какой это делаю я. К тому времени за несколько часов экскурсии по компании мы прошли в общей сложности примерно 1,5 км и преодолели несколько лестничных пролетов, но я не заметила никаких аномалий в походке моего спутника и даже представить не могла, что левая нога де Роя не настоящая.
Голень и стопа де Роя относились к одной из самых последних разработок компании, которая называется Pro-Flex. Они с Эйнарсдоттир не могли сдержать своего восторга по поводу инновационного дизайна этого протеза. Pro-Flex полностью использует механические свойства современного углеродного волокна и тщательно разработанного сочленения, которое обеспечивает механический толчок и вращение голени, дающие де Рою необходимые подвижность, равновесие и силу без компьютера или двигателя. Pro-Flex гораздо ближе подошел к имитации естественных движений голени, чем предыдущие устройства, к тому же он легче, дешевле и прочнее, чем большинство сложных протезов.
■ ■ ■
Современные материалы, компьютеры и устройства, производимые компанией Össur, открыли новые возможности для протезирования. Искусственные конечности стали более подвижными, сбалансированными и мощными, чем когда-либо ранее. Но пользователи даже самых сложных, управляемых компьютером и снабженных моторами протезов колена иногда ощущают сильное раздражение: они не могут двигаться на протезах так легко и просто, как передвигались на настоящих конечностях, то есть в соответствии со своими намерениями. Вместо этого они часто говорят о действующем на нервы ощущении того, что “колено ведет меня”.
Разработка конечностей, которые соединяются с нервной системой и отвечают на намерения своего носителя, – это следующая сложная задача в мире умных протезов. Как я узнала из разговора с Магнусом Оддсоном, вице-президентом компании по разработке и исследованию протезов, Össur – одна из компаний, ищущих пути решения этой проблемы.
Оддсон напоминает университетских коллег, чей мозг постоянно работает на нескольких уровнях, помимо нашего разговора. Он говорит мало и очень точно. Как Оддсон объяснил, в работе над намеренным управлением протезами цель компании – найти “клинически подтвержденные, инновационные решения”. Это означает, что устройства должны работать так, чтобы служить реальным людям в реальных ситуациях. Необходимо улучшить их подвижность и увеличить охват пользователей. Помимо разработки приспособления компания должна обеспечить медицинские доказательства создания ценного продукта и сокращения издержек, а также улучшение возможностей для пользователя. Для того чтобы фирма была успешной, чрезвычайно важен баланс между самыми современными научными разработками и соответствием требованиям рынка. Устройства не только должны работать, но и быть признаны поставщиками услуг в сфере здравоохранения и оставаться самыми современными. Как сказал Оддсон, ключ к достижению всех этих целей – простота.
Он объяснил, что стратегия Össur состоит в том, чтобы опираться на биологические особенности носителя и не пытаться воссоздавать или изобретать заново нервно-мышечную систему. Цель компании – помочь людям восстановить утраченные функции, а не создать новые или дать возможности Супермена. В результате Össur направляет свои усилия на биологические процессы, задействованные при движении и управлении мышцами, например на те, которые происходят в ноге.
Для того чтобы дать возможность человеку намеренно двигать протезом голени и ступни, Össur прибегает к помощи работоспособных элементов нервно-мышечной системы, сохранившихся после ампутации. Вспомните о том, что двигательные нейроны в спинном мозге имеют длинные аксоны, которые протягиваются через всю конечность, активируя мускулы, используемые при определенном движении. Нервная система в месте ампутации остается в неизменном состоянии, а при большинстве операций ниже колена сохраняется часть мышц нижней части ноги, которые в нормальном виде поднимают или опускают стопу в голеностопном суставе. Понимая это, Össur разработала совместимые с живыми тканями беспроводные электроды, которые ощущают движение мышц. Миоэлектрические сенсоры имплантируются в мышцы, которые в обычном состоянии управляли бы вытягиванием и сокращением лодыжки (когда пальцы ноги, соответственно, указывают вниз или вверх) и которые реагировали бы на сжатие или расслабление мышц. Введенные в мышцы сенсоры посылают сигналы в приемный аппарат, расположенный в манжете протеза. Он передает информацию на контролируемые компьютером моторы в искусственной голени, которые ее растягивают или сжимают, чтобы поднять или опустить искусственную стопу.
Оддсон продемонстрировал успехи Össur, показав мне видео Кали – человека, пережившего ампутацию, который помогает компании тестировать прототип этого протеза нового поколения, управляемого мозгом. На видео Кали носит протез, прикрепленный к его правой ноге ниже колена. Он садится, закинув свою искусственную ногу на настоящую, и привлекает внимание к ступне. Затем, просто пожелав, чтобы это произошло, как происходит с естественной конечностью, Кали разгибает и выпрямляет ступню, и его роботизированная голень выполняет ту же работу, что когда-то делала живая. После нескольких разгибаний и сгибаний протеза ступни он поднимает голову, и на лице его сияет триумфальная улыбка, в которой соединяются восторг, изумление и гордость.
Конечно, Кали двигает голенью и ступней, не просто подумав об этом. Несмотря на отсутствующую часть ноги, при ампутации сохранились некоторые мышцы ниже колена, и он может напрягать и расслаблять их. До того как ему имплантировали миоэлектрические сенсоры, управляющие компьютеризированным протезом голени, у него не было никаких причин делать это – такое действие было бы совершенно бесполезным. Но с протезом конечности, который может получать сигналы от мышц, Кали снова может желать или изъявлять намерение двигать ступней. Когда такие технологии станут более распространенными, проводящие ампутации хирурги будут делать операции по-другому. Ожидая установку пациенту управляющихся в соответствии с его намерениями протезов, врачи будут бороться за то, чтобы сохранить работу мышц на конце ампутированной конечности так, чтобы сделать возможным использование “умных” протезов. Как я коротко расскажу далее, именно в этом и состоит суть последнего проекта Хью Герра.
Восстановив практически полную подвижность и функциональность ампутированных конечностей и создав дизайн, который может выйти на широкий рынок, Össur изменила то, как мы воспринимаем протезы. Вместо того чтобы сигнализировать об инвалидности, они говорят о нормальности. Именно это я поняла, когда увидела в одном из офисов компании условное обозначение, указывающее на расположение женского туалета. Оно представляло собой стандартную фигурку в юбке, обозначающую женщину, но одна из ног была искусственной.
Условное обозначение на двери женского туалета в компании Össur
■ ■ ■
Визиты в лабораторию Герра и компанию Össur дали мне веские причины считать, что мы далеко продвинулись по пути решения сложной проблемы замены конечностей на искусственные. Но многие люди с ограниченной дееспособностью не теряют конечности, а страдают от поражений нервной системы. Восстановление подвижности после травмы мозга – чрезвычайно сложная проблема, но и здесь можно отметить впечатляющие успехи. Я узнала о них, совершив путешествие в Женеву, чтобы встретиться с Джоном Донохью – одним из ведущих нейрофизиологов в мире.
Донохью, друг и коллега по моей ранней работе в области нейронауки, посвятил свою карьеру изучению коры головного мозга – той его части, которая наиболее отличает нас от животных. Работа ученого сосредоточена на двигательной области – сети нервных клеток в коре головного мозга и их связях, управляющих нашими движениями. В те дни он совмещал работу в Университете Брауна в Провиденсе, штат Род-Айленд, где был преподавателем, и в Женеве, где с 2014 г. являлся директором-учредителем Центра био- и нейроинженерии имени Висса. В Центре Донохью возглавляет команду инженеров, биологов, специалистов по компьютерной технике и практикующих врачей, которые совместно занимаются разработками устройств, способных вернуть подвижность людям, парализованным из-за травмы или болезни.
Научные открытия последнего столетия обеспечили основу для понимания того, как мозг управляет физическими движениями. После того как мы сознательно или бессознательно решили совершить движение – например, поднять руку для того, чтобы ответить на вопрос, или сделать первый шаг, чтобы спуститься по лестнице и позавтракать, – начинает работать часть нашего мозга под названием первичная двигательная кора. Она находится на поверхности головного мозга, выше передней части ушей. Нервные клетки первичной двигательной коры имеют очень длинные аксоны, которые действуют как провода, передавая сигналы от коры через основание головного мозга и спинной мозг, чтобы те достигли двигательных нейронов в нужном отделе спинного мозга и выполнили определенную задачу. Когда двигательные нейроны получают входящий сигнал от нейронов двигательной коры, их аксоны передают этот сигнал из спинного мозга к мышцам, которые должны совершить планируемое движение. Чтобы я подняла руку, нервные клетки первичной двигательной коры посылают сигнал на двигательные нейроны в район спинного мозга, отвечающий за плечо, а аксоны двигательных нейронов, в свою очередь, передают сигнал из спинного мозга к мышцам, контролирующим движение руки.
Когда я изучала биологию в аспирантуре, в моих учебниках первичная двигательная кора описывалась как имеющая “пуантилистскую” организацию: считалось, что ее нервные клетки расположены в головном мозге как некая карта, отражающая все тело, и нейроны в каждой ее точке управляют моторными нейронами определенных мышц тела. Тем не менее в своей работе Донохью сделал открытие, изменившее наше представление об организации первичной двигательной коры и о том, как мозг управляет физическими действиями. В ряде прорывных исследований ученый доказал, что каждая точка первичной двигательной коры соответствует не определенной мышце или ряду мышц, а завершенному действию. Когда я, например, поднимаю руку, одна и та же область первичной двигательной коры управляет мускулами и в правой, и в левой руке, согласовывая сигналы на выходе, чтобы добиться плавного выполнения движений.
Благодаря своим исследованиям Донохью получил признание во всем мире. Если бы он пошел обычным путем, то продолжал бы исследования по общей нейробиологии коры головного мозга. Но он решил воплотить в жизнь невероятно смелое устремление: использовать свои знания о первичной двигательной коре и ее организации, чтобы вернуть способность двигаться людям, парализованным из-за травм и болезней спинного мозга.
Когда головной и спинной мозг в порядке, нейроны в первичной двигательной коре и других частях мозга посылают сигналы через свои аксоны и координируют движения. Эти сигналы проходят вдоль аксонов от головного мозга через спинной мозг, чтобы активировать двигательные нейроны. Вспомним, что у двигательных нейронов в спинном мозге имеются аксоны, выходящие из спинного мозга, чтобы активировать мышцы. Для того чтобы наши движения имели нужный результат и были скоординированными, они должны восприниматься, устанавливая что-то вроде обратной связи. Мы ощущаем то, что вокруг нас, с помощью касаний и положения рук и ног через сигналы, которые идут в обратном направлении в спинной мозг, через аксоны, которые связывают органы чувств в мышцах, коже и суставах с нервными клетками в спинном мозге, а затем, через спинной мозг, – еще выше, в головной. Сенсорные связи, возвращающиеся в мозг, дают нам представление о боли, тепле, холоде или о положении рук или ног.
Активность в первичной двигательной коре управляет движениями. Нейроны (нервные клетки) в двигательной коре имеют длинные аксоны, которые ведут в спинной мозг. Когда нейроны первичной двигательной коры активны, их оканчивающиеся в спинном мозге аксоны активируют двигательные нейроны. Аксоны последних связаны с мышцами и управляют их движениями
Тем не менее после травмы спинного мозга все эти связи могут быть разрушены, “отрезав” головной мозг от мышц и органов чувств, что оборачивается параличом и потерей чувствительности. Спинной мозг защищен от травм костной оболочкой – бугристым позвоночным столбом, который мы видим и ощущаем вдоль спины. Подобным же образом головной мозг защищен черепом – собственной костяной оболочкой. Защита головного и спинного мозга критически важна: в отличие от кожи, костей, печени и мышц нервные клетки центральной нервной системы не могут эффективно восстанавливаться от травм. Все наши способности и действия – например, дыхание, речь, зрение, ходьба – управляются нейронами, которые в случае повреждения починить себя не могут. Несмотря на огромное количество исследований, мы все еще полностью не понимаем биологические механизмы, которые не позволяют мозгу восстанавливаться, и у нас по-прежнему нет эффективных стратегий лечения травм головного и спинного мозга. Это означает, что серьезные поражения спинного мозга часто делают намеренное движение конечностями невозможным навсегда. После тренировок некоторые пациенты могут восстановить часть функций через пути, которые не были затронуты травмой, но большинство людей с поражениями спинного мозга остаются парализованными и лишенными ощущений.
Сенсорная информация от мышц (или кожи) попадает в спинной мозг через аксоны чувствительных нейронов, которые находятся вне спинного мозга. Входящие сигналы активируют нейроны спинного мозга, которые несут сенсорную информацию в головной мозг
Донохью увидел, что существует возможность сохранения активности нейронами первичной двигательной коры, несмотря на нарушение связи, препятствующее произвольным движениям после травмы спинного мозга. Он задался вопросом, не удастся ли записать активность этих нейронов, чтобы понять намерение человека, а потом придумать альтернативные средства, чтобы превратить это намерение в движение. Если это удастся сделать, то, возможно, он сможет обеспечить людям, парализованным из-за травмы или болезни, способ физического взаимодействия с миром. Чтобы изучить такие возможности, ученый объединил усилия с рядом коллег – врачей, инженеров и нейробиологов. В начале 2000-х гг. они разработали интракортикальный нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ), записывающий активность головного мозга, а затем передающий ее на компьютер, который использует эти записи для управления движением.
Интракортикальный нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) может записывать намеренные движения с нейронов первичной двигательной коры. (А) Небольшой набор электродов (белый квадратик в первичной двигательной коре) записывает активность ее нейронов. Когда начинается намеренное движение конечности, набор электродов распознает сигналы нейронов первичной двигательной коры и эти сигналы передаются компьютеру. Компьютер расшифровывает сигналы и передает их на внешнее устройство, такое, как роботизированная рука. (В) Набор электродов интракортикального НКИ представляет собой примерно сотню очень тонких, напоминающих иглы, электродов, которые имплантируются в первичную двигательную кору. Электроды записывают активность ее нейронов и передают эти сигналы по маленьким гибким проводам на находящийся неподалеку компьютер.
Донохью и его коллеги впервые продемонстрировали потенциал интракортикального НКИ в 2006 г., когда молодой человек, парализованный от области шеи и ниже из-за травмы спинного мозга, использовал интракортикальный НКИ с компьютерным интерфейсом, чтобы играть в видеоигру Pong. Когда он представлял, как двигает рукой компьютерную мышь, интракортикальный НКИ считывал его намерения и переводил их в движение ракетки Pong на мониторе компьютера.
За следующие годы команда Донохью добилась значительных успехов, и в 2012 г. исследователи сообщили, что женщина по имени Кейти, парализованная от шеи и ниже из-за последствий инсульта, благодаря интракортикальному НКИ могла управлять движением роботизированной руки, просто думая о том, как двигает своей рукой. Это стало возможным благодаря миниатюрному чипу размером с маленькую таблетку, имплантированному в ту зону первичной двигательной коры головного мозга Кейти, которая отвечала за естественные движения руки. Чип содержал примерно сотню крошечных иглоподобных электродов, помещенных в первичную двигательную кору. Каждый электрод записывал электрические сигналы, идущие от ближайших к ним нейронов коры, а затем посылал их через очень тонкий провод на компьютер, который, в свою очередь, использовал сигналы, чтобы интерпретировать намерения Кейти. Затем код команды движения посылался на управляемую компьютером роботизированную руку. В первый раз за 15 лет, прошедших после инсульта, Кейти могла двигать предметы, просто думая об этом.
Команда записала видео, где Кейти успешно использовала роботизированную руку. Задачей женщины было взять бутылку, где находился ее любимый утренний напиток – латте с корицей, – и пить из нее. На видео женщина хмурит брови, сосредотачиваясь на том, чтобы рука двигалась. Это работает: роботизированная рука медленно захватывает бутылку, поднимает ее и подносит ко рту Кейти. В бутылке есть соломинка, и, когда женщина отпивает из нее и ощущает вкус латте, с одной стороны ее рта появляется слабая улыбка. Через некоторое время она хочет убрать бутылку и поставить на стол перед собой. Когда это удается, Кейти поворачивает голову к камере, и на ее губах видна ликующая улыбка. У меня на глазах появляются слезы.
В 2017 г. Донохью и его команда продвинули новую технологию далеко вперед, позволив двигать своей собственной рукой Биллу, который был парализован в течение восьми лет после несчастного случая на велосипеде. Команда имплантировала два интракортикальных НКИ в первичную двигательную кору головного мозга Билла, а также набор стимулирующих электродов в парализованные мышцы руки. Билла, как и Кейти, попросили взять чашку, поднести ее ко рту и отпить из нее. Если Билл желал, чтобы его рука двигалась, сигналы, которые интракортикальные НКИ подхватывали от активных нейронов первичной двигательной коры, передавались на компьютер, посылающий сообщение на электроды в мышцах руки, заставляя их вести себя так, будто они были нормальными. И снова это сработало: Билл захотел, чтобы его рука взяла чашку за ручку и поднесла ее ко рту, чтобы сделать глоток, – впервые за восемь лет с тех пор, как он был лишен возможности есть и пить самостоятельно.
Когда осенью 2017 г. я побывала у Донохью в Центре Висса, он с восхищением показал мне то, что называл своим музеем, – стеклянную витрину, где находился ряд бионических устройств. Многие их них были предшественниками его нейрокомпьютерных интерфейсов, например кохлеарные импланты, которые позволяют многим глухим людям слышать, или кардиостимуляторы, нормализующие нерегулярные сердечные сокращения. Донохью показал мне, как многие из этих изменивших жизнь технологий становились со временем все меньше благодаря открытиям в биологии и развитию техники. И он дал мне подержать новейшую версию чипа, который находится в первичной двигательной коре Билла.
Чип имеет размер грани около 4 мм. К нему прикреплена сотня электродов толщиной с волос и по 1,5 мм в длину, поэтому он напоминает крошечную щетку для волос с тонкими, едва видимыми зубчиками. К основанию чипа крепится тонкий, очень гибкий провод, позволяющий электродам посылать сигналы, которые они получают, на компьютер, преобразовывающий их на выходе в электронные команды для управления намеренными движениями роботизированной или естественной руки. Взяв устройство в руку, я была поражена тем, как мало оно весит и как много дает возможностей.
Следующее поколение нейрокомпьютерных интерфейсов и их чипов уменьшится в размерах и не будет иметь проводов. Некоторые инженеры предсказывают, что сенсоры могут стать меньше крупинки соли и будут регистрировать и передавать нейронную активность. Такие маленькие устройства можно разместить в каждом отделе головного мозга, записывая гораздо более широкий диапазон сигналов и обеспечивая намного более точное чтение намерений человека.
С конца 1960-х гг., когда нейрокомпьютерные интерфейсы были новой, ошеломляющей идеей, быстрое развитие нейробиологии и вычислительных мощностей обещает появление новых технологий, которые в не таком уж далеком будущем, возможно, помогут облегчить состояние при самых страшных заболеваниях. Один из коллег Донохью, доктор Ли Хокберг, предвидит, что следующее поколение беспроводных устройств станет записывать мозговую активность и иметь способность разгадывать момент возникновения аномальных волн, скажем при эпилепсии или биполярных расстройствах. Он ожидает появления приспособлений, которые будут посылать нужные сигналы обратно в мозг, чтобы восстановить его нормальную деятельность, и таким образом вернут к обычной жизни тех, кто страдает от неврологических и психических расстройств.
■ ■ ■
Подобные медицинские чудеса гораздо реальнее, чем нам может казаться. Хью Герр и его команда начали клинические исследования, впервые проводимые с участием людей и направленные на то, чтобы в большей степени восстановить естественную подвижность у людей с ампутированной конечностью. Среди членов команды есть хирурги-ортопеды, нейробиологи, инженеры по механическому оборудованию и электрическим системам и молекулярные генетики, а также студенты колледжей, чья будущая профессиональная деятельность по-новому совместит все эти отрасли. Как и группы в Центре Висса и в компании Össur, исследователи используют нормальные биологические механизмы, чтобы восстановить управление движениями. Они были готовы двигаться вперед, когда Джим Эвинг связался с Хью Герром. Эвинг вызвался быть первым человеком, которому предстояло пройти через то, что сейчас называют “ампутацией Эвинга”.
Герр и его коллеги сконцентрировали усилия на том, чтобы воссоздать нормальные пары мышц агонист/антагонист вокруг суставов, а затем направить нервы, чтобы связать эти пары со спинным мозгом. Когда вы сгибаете или разгибаете, к примеру, голеностоп, мышцы в передней и задней части голени по очереди сжимаются и расслабляются; и сжатием, и расслаблением управляют цепи нервных импульсов, проходящих от мышцы в спинной мозг через ряд “станций” внутри спинного мозга и возвращающихся обратно в мышцу. Согласованное сжатие и расслабление нужно для плавных и эффективных движений. Входная сенсорная информация от мышц и суставов, идущая в спинной мозг, создает отдельные нейронные цепи, чтобы согласовывать движения, а также отправляется в головной мозг для осознавания положения ноги и ступни.
Чтобы адаптировать пациентов к новым устройствам, Герру и его коллегам-хирургам пришлось переработать саму процедуру ампутации. Они перемещали оставшиеся нижние мышцы ноги, контролирующие движение голени, вместе с соединенными с ними нервами. Ученые создавали пары агонистов/антагонистов, используя сухожилия, чтобы соединить пары мышц, которые будут сжимать и расслаблять голеностоп. После этого хирургического вмешательства, когда пациент думает о том, чтобы расслабить или напрячь голень, мышцы ног сжимаются и расслабляются по обычной схеме, как пары агонистов/антагонистов. Электроды над мышцами распознают их деятельность и передают сигналы на компьютеризированную голень, которая реагирует на них, воспроизводя действие сохранившейся конечности. Как и в случае с нормальной ногой, намерение того, кто носит протез, управляет движением мышц, но вместо того, чтобы управлять действием напрямую, компьютеры в голени превращают сигналы от мышц в работу протеза голени и ступни.
К 2015 г. команда Герра закончила все приготовления к этой процедуре, которая, возможно, могла полностью изменить жизнь. Были завершены проектирование устройства, компьютерное моделирование и экспериментальная отработка; исследователи приготовились перейти к испытаниям на человеке, и тут Эвинг связался с Герром. Джиму предстояло принять очень трудное решение: пытаться ли сохранить свою конечность, которая после целого года лечения вызывала нестерпимую боль и не позволяла ему выполнять даже обычные повседневные действия, не говоря уж о его спортивных амбициях? Врачи предоставили Эвингу выбор: продолжать пытаться восстановить голень или ампутировать нижнюю часть ноги и поставить вместо нее протез. Джим так описывал трудность стоящего перед ним решения: “Ампутация казалась ужасной, но все остальные перспективы были очень печальными”. Герр рассказал о своем собственном опыте жизни с ножными протезами, а также об изменениях, произошедших с этими приспособлениями в его лаборатории и в других компаниях. После множества разговоров, консультаций и демонстраций Эвинг решился на ампутацию. Он вызвался быть первым человеком, который пройдет через операцию по новой процедуре, что позволило ему использовать последнюю разработку Герра, а именно протез нижней части ноги (голени и ступни), которым он мог двигать и который мог ощущать.
Обыкновенно Эвинг носит ножные протезы, чтобы ходить, бегать, заниматься скалолазанием, кататься на лыжах или плавать с аквалангом. Он вернулся к прежней активной жизни без боли. В особые дни Джим присоединяется к команде Герра, чтобы проводить новаторские исследования нового протеза ноги, которую оживляет головной мозг. Во время моего последнего визита в лабораторию биомехатроники Герра я посмотрела видеоролик, где Эвинг взбирается по скале на Каймановых островах. Как и у всех альпинистов, его взгляд устремлен вверх, а в это время левая ступня нашаривает место для опоры; без всякой помощи зрения палец протеза нащупывает место, а затем искусственная нога принимает вес тела и находит равновесие точно так же, как это происходит с живой правой ногой, которая определяет следующую точку опоры. Достигнув вершины, Эвинг садится и смотрит на океан, приподнимая ногу, чтобы положить левую ступню на удобный уступ.
Благодаря этой сложной биологической, компьютерной и механической хирургии и имеющемуся у него устройству Эвинг вернул себе значительный объем почти естественных движений. Он говорит о том, что чувствует все “так, будто протез является частью меня”. Герр предполагает, что в течение следующих 20 лет носить протез “будет почти тем же самым, что восстановить биологическую конечность”.
В не столь отдаленном будущем инвалиды будут ходить, говорить и снова взаимодействовать с миром. Чтобы дать совету директоров МТИ заглянуть в это будущее, в 2010 г. я пригласила Хью Герра рассказать о новых технологиях. Мы встретились в маленькой аудитории. После того как я представила его, Герр вышел на середину комнаты грациозной походкой спортсмена. Ни у кого не было и мысли, что у этого человека ампутированы обе ноги.
Начав говорить, Герр оглядел аудиторию и обнаружил, что многие из присутствующих пользуются меняющей жизнь технологией протезирования – они носят очки. Плохое зрение может осложнять жизнь, отметил он, но мы не считаем тех, кто плохо видит, инвалидами. Почему? “Потому что у нас есть великолепная технология, позволяющая людям с плохим зрением вести полноценную жизнь”, – сказал Герр. Аналогия идеально отражала то, чего он надеется достичь с протезами. Начав рассказывать о своей работе, Герр закатал вначале одну штанину брюк, а потом другую, постепенно продемонстрировав, к величайшему удивлению аудитории, протезы голеней и ступней. Сомневаюсь, что кто-то, видевший, как Герр входит в комнату и начинает говорить, посчитал его инвалидом по той простой причине, что он носит протезы, которые делают свою работу так же хорошо, как очки выполняют свою. Стоя на ультрасовременных искусственных ногах с работающими при помощи компьютера голенями, Герр закончил речь такими словами: “Мы называем создавшееся положение инвалидностью только до тех пор, пока доступные нам технологии не позволяют его преодолеть. Давайте вычеркнем ампутации и параличи из списка заболеваний, ограничивающих возможности”.
