Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучший обзор».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Читая научную фантастику, невольно задумываешься: «Когда же чудеса науки, описываемые в произведениях великих фантастов, будут претворены в жизнь?» Одной из популярнейших идей, описанных в фантастических романах, является кибернетический организм — совершенный синтез человеческого тела и компьютера. Такое создание обладало бы неограниченными физическими и умственными способностями и позволило бы человеку побороть старость и смерть. Киборги смогли бы первыми ступить на поверхность Марса или других новых миров. Конечно, ведь человеку-роботу не страшны неблагоприятные для жизни условия, такие как неподходящий состав атмосферы, низкая температура, повышенный радиационный фон и другие опасности, поджидающие исследователей далеких планет. Казалось бы, это все фантастические предсказания, но в наши дни уже проводятся исследования по интеграции человеческого организма и высокотехнологичной машины.

Безусловно, современная наука еще не достигла такого совершенства, какое описывается в научно-фантастических произведениях и фильмах. Тем не менее, благодаря современным исследованиям возможно создание совершенных механических протезов, которые полностью смогли бы компенсировать потерю конечности или отсутствие зрения, или даже помочь полностью парализованным людям. Разрабатываются методы так называемого нефармакологического лечения. Кроме того, ведется работа над созданием устройств, управляемых «силой мысли».

Созданию устройств и программ, обеспечивающих связь между электронным устройством и человеческим мозгом, предшествовали исследования строения и функционирования нервной системы человека и других позвоночных животных. Фундаментальные исследования в этой области были проведены великими русскими физиологами И.М. Сечновым и И.П. Павловым, которые внесли огромный вклад в развитие нейрофизиологии, — в частности, изучили условнорефлекторную деятельность человека и высших позвоночных животных. Благодаря работе их последователей — К.М. Быкова (автора теории кортико-висцеральных связей), П.К. Анохина (разработавшего теорию функциональных систем), а так же Н.П. Бехтеревой (автора теории устойчивых патологических состояний) — современная нейрофизиология получила возможность более глубоко исследовать принципы работы нервной системы, используя полученные ими данные как теоретическую основу. Также необходимо упомянуть метод электроэнцефалографии (ЭЭГ), разработанный благодаря исследованиям Д. Реймона, Р. Кэтона и австрийского психиатра Г. Бергера, впервые зафиксировавший электрическую активность человеческого мозга при помощи самописца.

В ходе исследований мозговой активности (работы Шмидта, Фетза и Бейкера в 1970-х, а так же в 1980-х исследования Апостолоса Георгопоулоса) была замечена связь между изменением активности определенных групп нейронов коры больших полушарий и совершением определенных действий (движение, реакция на различные раздражители). Позднее были изобретены и сконструированы нейрочипы, позволяющие воспринимать сигналы от нейронов, а так же созданы математические алгоритмы, позволяющие преобразовывать эти сигналы в команды для электронных устройств. Такое объединение мозга и электронного устройства получило название нейрокомпьютерный интерфейс — НКИ (от англ. BCI — Brain-Computer Interface). Первые исследования нейрокомпьютерного интерфейса были проведены в 1970-х годах в Университете Лос-Анджелеса, штат Калифорния.

Создание нейрокомпьютерного интерфейса возможно благодаря высокой пластичности и обучаемости нервной системы человека. Кора больших полушарий — многоуровневая структура, осуществляющая высшую обработку сигналов, поступающих в головной мозг, как из внешней среды, так и от самого организма. Нейроны — структурные единицы нервной системы — обладают способностью «забывать» старые связи и образовывать новые — это свойство является основой обучения. Таким образом, при утрате каких-то физических функций нервная система все равно сохраняет связи между нейронами, которые выполняли утраченную функцию, и при создании НКИ на основе данного участка коры, просто «меняет направление» передачи сигналов. В случае обучения каким-то новым «приемам» возникает связь между внешним раздражителем (зрительным, тактильным) и соответствующими нейронами, активность которых регистрируется методом ЭЭГ или путем вживления нейрочипа. После нескольких сеансов повторной подачи определенного раздражителя возникают связи, являющиеся как бы ассоциацией между данным стимулом и определенной областью коры больших полушарий. Регистрируя эту активность при помощи ЭЭГ, когда человек думает о совершении данного действия, можно преобразовать полученные сигналы в команду для электронного устройства. Таким образом, большинство НКИ устроено по принципу биологической обратной связи.

Ранние исследования, посвященные созданию НКИ, проводили на животных. Основными подопытными служили обезьяны, так как они способны выполнять наиболее сложные движения. Одним из первых операцию по имплантации нейрочипа в мозг обезьяны осуществил Филипп Кеннеди и коллеги. Позднее Мигель Николесис предложил использовать для регистрации электрической активности электроды, имплантированные в различные участки мозга, для повышения эффективности. Его эксперименты состояли из двух этапов. Сначала в мозг обезьяны внедрялись микроэлектроды, фиксировавшие активность определенных нейронов, затем обезьяна обучалась какому-либо действию, в ходе которого животное добывало пищу или выполняло простую задачу на компьютере, работая джойстиком. В процессе эксперимента животное не могло видеть собственных действий. Фиксируемые сигналы преобразовывались в команды для роботизированной руки.

В исследовании под руководством Эдгара Станза, заслуженного профессора нейрологии, опубликованном в журнале Nature, обезьяна обучалась ловить шарик на конце изогнутой трубки и снова бросать его в отверстие. В ходе этого обучения активность нейронов также фиксировалась, исследователями были выявлены закономерности, позволившие создать алгоритм, «кодирующий» сигнал, передаваемый определенной группой нейронов мышцам. Затем при помощи местной анестезии связь между мозгом и мышцами конечности нарушалась, а связь между мозгом и конечностью осуществлялась через нейропротез, который посылал мышцам импульсы. Сигнал от мозга преобразовывался в «понятную» мышцам форму и передавался всего за 40 миллисекунд. Обезьяна, подключенная к такому нейропротезу, научилась совершать то же действие парализованной рукой, хотя и не так успешно. Автор работы объясняет это тем, что процесс двигательного обучения весьма напоминает освоение какого-либо нового, непривычного устройства или спортивного снаряда: чем больше ты им пользуешься, тем эффективнее результат. Эта технология позволит людям, парализованным из-за повреждений спинного мозга, вернуть хотя бы частичный контроль над своими конечностями, так как сигнал в данном случае передается непосредственно от коры больших полушарий к мышцам, минуя спинной мозг.

Позднее, после длительных испытаний на животных, были проведены эксперименты, в ходе которых нейрочипы имплантировались людям.

Но такие операции сопряжены с опасностью для жизни и здоровья людей, участвующих в исследовании (при внедрении нейрочипов непосредственно в нервную ткань возникает риск появления соединительнотканных образований), а так же с этическими проблемами. Поэтому в современных НКИ чаще всего электрод имплантируется снаружи черепа или используются сигналы, регистрируемые с поверхности головы испытуемого (т.е., при помощи ЭЭГ). Но в данном случае возникает проблема с точностью воспринимаемого сигнала: в случае имплантации нейрочипа непосредственно на поверхность мозга можно регистрировать сигналы с десятков нейронов, но когда электрод установлен на поверхность головы, сигнал регистрируется с куда более обширного участка коры. Кроме того, костная ткань искажает поступающие от мозга сигналы, а также увеличиваются внешние «шумы». Тем не менее, эти методы сейчас намного более популярны, чем нейрохирургическая имплантация нейрочипа непосредственно в нервную ткань.

Сейчас нейрокомпьютерные технологии стремительно развиваются. ИМК-технологии нашли свое место в реабилитационной медицине, в создании протезов, управляемых не путем подключения к периферическим нервам или мускулатуре, а сигналами, исходящими непосредственно от головного мозга.

Так, НКИ способны частично восстанавливать зрение людям, потерявшим его в результате какой либо травмы во взрослом состоянии. Одним из первых исследователей, создавших зрительные нейрокомпьютерные импланты, был Вильям Добелл (William Dobelle). Его первое устройство представляло собой камеру, вмонтированную в обычные очки, посылающую сигналы к электродам (всего их было шестьдесят восемь), имплантированным в зрительную кору испытуемого. Этот имплант позволил человеку, потерявшему зрение, различать свет и тень, а позднее — выполнять простейшие задания без посторонней помощи. «Второе поколение» имплантов было более совершенным, что позволило первому же испытуемому водить автомобиль, пусть только по территории исследовательского центра и на низкой скорости.

Существуют протезы, представляющие собой механические конечности. Сейчас осуществляются попытки создания подобных протезов, управляемых посредством НКИ. Первыми использовали НКИ при попытке восстановить двигательную активность исследователи из Университета Эмори, штат Атланта. Сейчас различными произовдителями осуществляются попытки создать роботизированные протезы. НКИ используются при реабилитации полностью парализованных людей, лишенных возможности говорить: появилась возможность набирать текст, не используя клавиатуру. Эта технология также может занять место не только в медицине, но и повседневной жизни, позволив управлять большинством устройств на расстоянии, не прибегая к другим устройствам-посредникам.

Создаются тренажеры, позволяющие в ходе нескольких сеансов использования научиться корректировать различные физиологические параметры. Такие тренировки построены по принципу биологической обратной связи и используются при лечении широкого спектра заболеваний, не только физических, но психологических (депрессии, синдром дефицита внимания). Такие «нефармакологические» методы лечения, созданные с использованием НКИ, фиксируют мозговую активность (методом ЭЭГ). Затем полученные данные визуализируют в виде какой-либо абстрактной фигуры, которую человек должен изменить «силой мысли». Аналогичный метод обучения используется для дистанционного набора текста.

Наиболее известные исследования в области НКИ в России проводят в лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Сейчас лаборатория не только осуществляет разработку игровых и тренажерных ИМК, но так же исследует возможность использования ИМК для изучения различных видов психической деятельности человека.

Кроме того, в России существует проект NeuroG, посвященный изучению зрительных образов. Проект разрабатывается учеными физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с Институтом высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. Разработан метод распознавания воображаемых образов. Предполагается, что данный метод будет использоваться в нейроинформатике, а так же найдет свое применение в медицине.

Очевидно, что весь потенциал НКИ не раскрыт до конца, и можно предположить, что НКИ найдут свое применение во всех аспектах человеческой жизни, от медицины и быта до военной промышленности. Остается надеяться, что человечество снова не «перегнет палку» и не превратит технологии, изначально служившие мирным целям, в очередное оружие.

Литература

1. Ганин И.П., Шишкин С.Л., Кочетова А.Г., Каплан А.Я. (2012). Интерфейс мозг-компьютер «на волне P300»: исследование эффекта номера стимулов в последовательности их предъявления. «Физиология человека». 38, 5-13;
2. Интерфейс „мозг—компьютер“ пристроят в сфере безопасности. (2010). Membrana;
3. Попов Л. (2012). Создан электронный интерфейс между мозгом и мышцами. Membrana;
4. Paul M. (2012). New brain-machine interface could one day help paralyzed individuals. Northwestern University.