Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Биомедицина сегодня и завтра» конкурса «био/мол/текст»-2017.

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Помните Капитана Крюка, который имел протез кисти в виде крюка? Разнообразие протезов, начиная с древности и до современности, заставляет нас удивляться, насколько изобретателен человеческий разум, создавший, например, протез пальца египтянки, жившей 3000 лет назад [1], железную руку Берлихингена и т.д. Однако люди, потерявшие конечность, больше не могли чувствовать ею что-либо. Возможно, это было одной из причин, по которой люди отказывались от протезов. И вот на смену обычным протезам пришли более прогрессивные, которые могут управляться «силой мысли», которые стали более удобными в использовании и не доставляют дискомфорта. Наступила эра нейропротезов!

Этап первый: кохлеарные аппараты

Самый популярный и самый первый по времени разработки — кохлеарный имплантат. В 1748 году Бенджамин Уилсон использовал лейденскую банку, чтобы стимулировать слух у глухой женщины. В 1957 году два французских врача имплантировали во внутреннее ухо пациенту устройство, которое непосредственно стимулировало слуховой нерв. Вскоре после этого в 1961 году доктор Уильям Хаус разработал первый кохлеарный имплантат с одноканальными электродами. Затем в конце 1970-х были разработаны имплантаты с многоканальными электродами [2]. Использование многоканального электрода позволило создать более сложный и реалистичный сигнал, за счет стимуляции улитки.

Имплантат состоит из внешней части, которая находится за ухом, и внутренней, которую хирургически помещают под кожу (рис. 1). Имплантат состоит из следующих устройств:

1. Микрофон, который воспринимает звуки из окружающей среды.
2. Речевой процессор анализирует и оцифровывает звуковые сигналы и отправляет их в приемник.
3. Передатчик и приемник принимают сигналы и преобразуют их в электрические импульсы.
4. Электродная решетка, представляющая собой группу электродов, собирает импульсы от стимулятора и отправляет их в разные области слухового нерва.

Имплантат не восстанавливает нормальный слух, зато помогает понять речь окружающих.

Кохлеарный аппарат сильно отличается от слухового аппарата тем, что слуховые аппараты усиливают звуки, чтобы их можно было обнаружить поврежденными ушами. Кохлеарные имплантаты обходят поврежденные участки уха и непосредственно стимулируют слуховой нерв. Сигналы, генерируемые имплантатом, отправляются через слуховой нерв в мозг, который распознает их как звук. Слух через кохлеарный имплантат отличается от обычного слуха и требует времени для изучения или переучивания. Благодаря имплантату люди могут понимать речь других людей и звуки окружающей среды.

Текущей областью исследования является разработка полностью имплантируемого устройства. Для воплощения этого в реальность нужно, чтобы микрофон был малым и очень чувствительным. Кроме того, аккумуляторная батарея должна иметь достаточно долгий срок службы и самозаряжаться, а вся система должна быть достаточно мала, чтобы полностью имплантироваться.

Этап второй: робо-руки и робо-ноги

Что такое интерфейс «мозг—компьютер»? Какие способы передачи сигналов существуют? Что такое неропротезирование? Это вредно? Предназначена ли протезная нога для каблуков?

Интерфейс «мозг—компьютер»

До недавнего времени мечта о возможности контролировать окружающую среду «силой мысли» была в области научной фантастики. Однако продвижение технологий принесло новую реальность: сегодня люди могут использовать электрические сигналы активности мозга, чтобы взаимодействовать с ними, влиять или изменять их среду. Технология интерфейса «мозг—компьютер» или нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) может позволить людям, неспособным говорить и/или использовать свои конечности, снова общаться или управлять вспомогательными устройствами для ходьбы и манипулирования объектами [3]. Пользователь и НКИ работают вместе. Пользователь после периода обучения начинает генерировать сигналы мозга, которые кодируют намерение, а НКИ, также после обучения, обнаруживает эти сигналы, декодирует и переводит их в команды на устройство вывода, которое выполняет намерение пользователя.

Что же такое нейропротезирование? Это вредно?

Нейропротезирование или нейронное протезирование — это область биомедицинской инженерии и нейробиологии, связанная с разработкой нейропротезов и их эксплуатацией. Систему впервые применили для замены сенсорной и двигательной функций. И ученые исследуют разные варианты доставки сигналов в нервную систему. На рисунке 2 изображены известные на данный момент способы [4].

Исследователи протезирования теперь пытаются предоставить протез, который будет чувствовать предметы не хуже настоящей руки, а возможно, даже лучше. Ведь такой протез может поднять предметы весом до 20 кг!

Способы доставки сигналов разделяются на электрическую стимуляцию нервов в культе (рис. 2а), перенаправление нервов на другие участки тела (например, на грудные мышцы) (рис. 2б) и прямое поступление импульсов в мозг и обратно (рис. 2в)

Что такое целевая реиннервация?

После ампутации конечности в организме остаются двигательные нервы, которые ее контролировали. Остатки нервов можно хирургическим путем перенести на маленький участок какой-нибудь крупной мышцы (это и называется реиннервацией). Например, к большой грудной мышце, если речь идет об ампутированной руке. В результате человек думает, что надо бы пошевелить пальцем. Мозг отправляет сигнал участку грудной мышцы, к которой присоединили нерв, шедший раньше к пальцам. Сигнал фиксируют электроды, которые отправляют импульс по проводам в процессор внутри роботической руки. Тут помогает электромиография. Эта технология позволяет регистрировать разность электрических потенциалов, возникающих при работе мышцы. Она улавливает движение реиннервированного участка грудной мышцы, после чего сигнал передается к нужной части протеза, и эта часть двигается.

Аналогичным образом осуществляется целевая сенсорная реиннервация. Она нужна для того, чтобы при помощи протеза человек мог чувствовать прикосновение, тепло или давление. Тут все в обратном порядке. Хирург перешивает уже оставшийся чувствительный нерв к участку кожи на груди. А сенсоры на протезе передают сигнал от прикосновения к этому самому кожному участку. И человек испытывает тактильные ощущения.

Первым пациентом, получившим эту «целевую реиннервацию», был Джесси Салливан, инженер-энергетик, который потерял обе руки из-за электрических ожогов. После того, как нервы рук были перенаправлены на его грудные мышцы, Салливан смог управлять протезными руками, просто думая о действиях (рис. 3). Но, к всеобщему удивлению, он также почувствовал, когда его груди коснулись. Будто бы коснулись его рук. Оказалось, что перенаправленные нервы вросли в кожу груди, и его мозг интерпретировал сенсорные сигналы в исходящие из его руки. Отдельные участки груди отвечали за касание ладони, другие же за касания пальцев и предплечья.

Примером также может послужить Мелисса Лумис, проживающая в Кантоне, она потеряла руку в 2015 году. Ее покусал енот, и, хотя повреждения были не слишком сильными, инфекция, попавшая в рану, привела к сильному заражению. Очаг заражения находился в предплечье, которое пришлось ампутировать, поскольку под угрозой была жизнь пациентки. Женщине также сделали «целевую реинннервацию», только остатки нервов направили не на грудную мышцу, как было с Джесси, а в двуглавую мышцу плеча (видео).

«Я впервые чувствую предметы через протез», — говорит Мелисса.

А что, если связь нервов со спинным мозгом разорвана? Как тогда будут поступать сигналы в головной мозг от протеза?

Действительно, если разорвана связь со спинным мозгом вследствие травмы или заболевания, то методы перенаправления нервов или использование оставшихся нервов в культе не будут работать. Поэтому исследователи придумали другой изощренный подход: забраться в головной мозг (рис. 2в) и стимулировать определенный участок. Забраться в мозг не так уж и трудно, тем более что определенные участки мозга контролируют определенные части тела. Человеком, впервые испытавшим на себе такую методику, был 56-летний Билл Кочевар. Он оказался парализован в результате несчастного случая и смог пошевелить телом ниже плеч благодаря новой технологии имплантации.

Предназначена ли протезная нога для высоких каблуков?

Студенты из Университета Джонса Хопкинса [5] разработали первый протез, который может адаптироваться к разной высоте пятки. Задача была очень сложной: создать ногу, которая настраивается без инструментов на определенную высоту пятки, удерживает положение без скольжения и выдерживает вес до 113 кг, при этом должна весить не более 1,5 кг! А также должна быть достаточно узкой, чтобы носить женскую обувь. Студенты построили механизм регулировки пятки с двумя блокирующими алюминиевыми дисками. Он открывается и закрывается прикрепленным рычагом на лодыжке. Для лодыжки они использовали готовый гидравлический блок, который обеспечивает гладкую походку и изгиб на подошве. У команды был прототип ноги, испытанный семью людьми, который крепили к нижней части громоздкого ботинка, что немного похоже на ходьбу на ходулях (рис. 4) .

Этап третий: бионический глаз — реальность или вымысел?

Со словами «бионический глаз» у нас ассоциируются самые разные вещи: у кого-то Терминатор, у кого-то Вселенная DC и комиксы, у кого-то высокие технологии протезирования, а у кого-то вообще нет никаких ассоциаций. Чем на самом деле является бионический глаз?

Рассмотрим рисунок 5.

Миниатюрная камера, установленная на очках, используется для захвата изображения. Затем эти изображения анализирует портативный процессор и преобразует в электронный сигнал. Импульсы сигнала транслируются на имплантат по беспроводной сети через радиочастотные катушки. Полученный сигнал передается в электродную решетку, управляющую нервными элементами сетчатки (то есть биполярными и ганглиозными клетками) [6–8]. Именно здесь начинается обработка сигнала, и далее интегрируется, когда он проходит через зрительный нерв на зрительную кору для окончательного восприятия визуального изображения. Общая методика заключается в электрическом стимулировании зрительных путей с помощью протеза зрения или «бионического глаза». Суть стимуляции — в вызывании активности нейронов на участке, который остается функциональным независимо от основной причины слепоты.

Как мы остановим хакеров от вторжения в наши мозги, когда мы будем киборгами?

Стремительно развиваются взаимодействия между мозгом и компьютером. И эти технологии могут в конечном итоге превратить людей в настоящих киборгов. Однако до того как это случится, нам нужно удостовериться в безопасности нейронных устройств и защите их от хакерских угроз.

С мечтами о нашем светлом кибернетическом будущем исследователи опубликовали на портале Science свою работу Help, hope, and hype: ethical dimensions of neuroprosthetics [9]. Авторы поставили себе задачу не только описать те возможности, которые перед нами откроет сфера нейротехнологий, но и привелчь общественное внимание к тем опасностям, которые могут подстерегать нас на пути к этому сверхвысокотехнологичному будущему.

У всех таких технологий, к сожалению, есть и обратная сторона. Вокруг этой области начинают появляться серьезные этические вопросы, и поэтому самое время начать думать о том, каким образом нейропротезирование и сфера разработок мозг—машинных интерфейсов могут привести к злоупотреблениям в будущем, а также о том, как от этого защититься.

Уже сейчас мозг—машинные интерфейсы можно использовать для того, чтобы, управляя роботизированной рукой, схватить чашку или, смотря на экран компьютера, выбрать определенное слово в тексте. Но когда-нибудь такие устройства, только более продвинутые, будут использоваться как аварийным работником для ликвидации опасной утечки газа, так и мамой ребенка, у которой не хватает лишних рук, чтобы успокоить своего плачущего малыша. Что, если в этой ситуации что-то пойдет не так, например, робот-нянька случайно выронит ребенка? Важно задать себе вопрос: где начинается и заканчивается зона ответственности, и кто в таких случаях должен быть признан виновным? Была это ваша оплошность по невнимательности или ошибка робота? Как сравнить ответственность человека с нейропротезом и человека, случайно совершившего тот же проступок своими руками? Лежит ли ответственность за такие сбои на производителях? Или на ученых? Доверяя ребенка роботу, осознавали ли вы, что устройство может выйти из строя? Юридической системе будущего придется определять, находится ли нарушение в зоне ответственности производителя роботизированного изделия (в конструкции найден брак или программная ошибка) или пользователя (неправильное использование или внешнее неавторизованное воздействие на целостность конструкции).

Для минимизации таких потенциальных проблем авторы обсуждаемой работы предлагают, чтобы любая полуавтономная система оснащалась функцией автоматической блокировки, и в случае ненадлежащего или незапланированного использования эта функция активировалась в обход прямого канала взаимодействия «мозг—компьютер». Если искусственная конечность начнет выполнять действия, которые пользователь не подразумевал для выполнения, то такой «выключатель» сможет самостоятельно принять решение по мгновенной деактивации системы, предотвратив потенциальную беду.

Еще одним аспектом, беспокоящим исследователей, является безопасность частной жизни пользователя и необходимость в защите любой личной информации, которая будет записываться подобными системами. Весьма вероятно, что системы, базирующиеся на интерфейсе «мозг—компьютер», будут собирать самую различную информацию о неврологическом статусе пользователя, после чего она будет передаваться на компьютер. Естественно, что такая схема не может не вызывать некоторые опасения по поводу защиты конфиденциальных данных. По мнению исследователей, собираемая информация может быть украдена и использована ненадлежащим образом.

Еще сильнее исследователей беспокоит возможность цифрового взлома злоумышленниками подключенного к мозгу устройства, что может фактически поставить под угрозу жизнь пользователя этого устройства. С помощью так называемого «взлома мозга» могут производиться злонамеренные манипуляции с мозговыми имплантатами. Хакеры смогут получить контроль над движениями роботизированных конечностей человека.

Возможное решение этой проблемы будет включать повышенный уровень шифровки информации, создание надежной сетевой безопасности и открытого коммуникационного канала между производителем изделия и его пользователем. Настает время задуматься над путями, которые позволят всем выработать стандарты по разработке необходимых защитных мер.

В перспективе неинвазивные интерфейсы «мозг—компьютер» можно будет использовать для создания своего рода телекинетической связи с окружающим миром, в котором мы своими мыслями сможем управлять освещением в доме или хотя бы просто переключать телеканалы. Другими словами, дальнейший прогресс будет способен превратить эти технологии в технологический вид телепатии. Что же касается исследователей, то их ключевой посыл заключается в том, чтобы мы были готовы к этому и смогли предотвратить использование подобных технологий в злонамеренных целях.

Заключение

Нейропротезирование — глобальная тема для будущего. Технологии становятся реальностью благодаря усердному труду ученых. Возможно, в будущем ученые разработают когнитивные имплантаты, делая нас более умными и сильными... Станем ли мы киберобществом [10]?

Литература

1. Sviti K.A. (2001). Walk like an amputated egyptian. Discover;
2. Yawn R., Hunter J.B., Sweeney A.D., Bennett M.L. (2015). Cochlear implantation: a biomechanical prosthesis for hearing loss. F1000Prime Rep. 7, 45;
3. Киборги сегодня: нейрокомпьютерные технологии становятся неотъемлемой частью нашей жизни;
4. Roberta Kwok. (2013). Neuroprosthetics: Once more, with feeling. Nature. 497, 176-178;
5. Hirsch A. (2016). Johns Hopkins students design prosthetic fit for high heels. Johns Hopkins University;
6. The bionic eye. (2014). The Scientist;
7. Merabet L.B. (2011). Building the bionic eye: an emerging reality and opportunity. Prog. Brain Res. 192, 3–15;
8. Philip M. Lewis, Lauren N. Ayton, Robyn H. Guymer, Arthur J. Lowery, Peter J. Blamey, et. al.. (2016). Advances in implantable bionic devices for blindness: a review. ANZ Journal of Surgery. 86, 654-659;
9. Jens Clausen, Eberhard Fetz, John Donoghue, Junichi Ushiba, Ulrike Spörhase, et. al.. (2017). Help, hope, and hype: Ethical dimensions of neuroprosthetics. Science. 356, 1338-1339;
10. Киборги среди нас.