Российский учёный — о развитии технологий нейроинтерфейса и протезирования

В России есть собственная научная база для развития технологий биопротезирования, и ряд разработок в этой сфере выглядит весьма перспективно. Об этом в эксклюзивном интервью RT рассказал директор Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ, профессор Департамента анализа данных и искусственного интеллекта факультета компьютерных наук НИУ «Высшая школа экономики» Алексей Осадчий. По его словам, наибольший прогресс на сегодняшний день достигнут в области создания бионических протезов, способных считывать нервные сигналы, поступающие от мышц.

— Недавно российские учёные предложили новые методы интеллектуального анализа сигналов активности человеческого мозга, речь идёт о специальных неинвазивных устройствах, которые крепятся на голову и могут считывать сигналы мозга. Такие технологии предлагается использовать для повседневной реабилитации пациентов, утративших двигательные функции. Алексей Евгеньевич, расскажите, пожалуйста, как действуют такие устройства?

— Нейроинтерфейсы позволяют устанавливать коммуникацию с человеческим мозгом напрямую, в обход естественных каналов. Такие устройства считывают активность мозга и превращают её в команды для внешних устройств.

Вокруг этого направления давно наблюдается большой ажиотаж, разработкой подобных устройств занимаются многие исследовательские группы и компании. Однако результаты часто далеки от ожиданий инвесторов, которые предполагают, что такие технологии позволят человеку, используя только «силу мысли», управлять виртуальными конечностями и т. п. Но на практике есть ряд сложностей, о которых неспециалисты не знают.

Во-первых, научиться пользоваться такими устройствами очень непросто. Даже пациенты, которые получают миографические протезы, учатся работать с ними в течение 3—4 месяцев, и получается это только у 30% людей.

В данном случае мы говорим о миографическом протезировании и интерфейсах, которые интерпретируют миограмму (запись электрических сигналов мышцы или группы мышц, возникающих при их сокращении. — RT). Человек должен определённым образом напрячь мышцы, чтобы отдать несколько дискретных команд протезу на смену схвата или режима.

Ещё сложнее дело обстоит в случае неинвазивных нейроинтерфейсов, например в идеомоторных (имИМК) нейроинтерфейсах, настроенных на декодирование интенции совершить моторное действие. Считывать активность головного мозга неинвазивными методами намного труднее, чем активность мышц. Пока удаётся при помощи имИМК со средней надёжностью генерировать 3—4 команды, которые можно после декодирования активности мозга передать протезу или другому исполняющему устройству. К сожалению, пока эта технология мало подходит для создания систем полноценного управления протезами с большим числом степеней свободы.

Поэтому, всё же несмотря на романтичность и привлекательность декодирования сигналов из мозга, все еще наиболее актуальны устройства, основанные на декодировании нервно-мышечных сигналов. Ведь даже у человека с протезом или с рукой, функция которой нарушена в результате инсульта, есть остаточное напряжение в мышцах, и пациента можно научить его использовать.

Например, Стивен Хокинг, хотя в его распоряжении были самые передовые технологии, использовал вовсе не нейроинтерфейс, а специальный аппарат, который считывал деформацию мышцы на лице.

— Получается, что когда в СМИ появляются заголовки о том, что учёные научились считывать мысли — это лишь журналистские сенсации?

— В подавляющем числе случаев да. Приведу такой пример: недавно писали о том, что учёные якобы научились расшифровывать мысли человека при помощи фМРТ — устройства для регистрации концентрации оксигенированного гемоглобина в ткани мозга. Человеку зачитывали какой-то текст, а учёные регистрировали активность его мозга во время прослушивания, благодаря чему удалось определить, какой именно сегмент повествования воспроизводится. Скорее всего, в данной работе такое распознавание основано на регистрации эмоций. При этом точность угадывания была весьма низкой, но в СМИ это было подано как новость о «чтении мыслей». Вокруг нейроинтерфейсов есть большой хайп, но для реального медицинского применения востребованы куда более «приземлённые» технологии.

— Какие разработки ведутся в этой области в мире и в России?

— Неинвазивный интерфейс, позволяющий человеку двигать или виртуальной рукой на специальном экране, или с помощью экзоскелета, уже изобретён. Есть такие технологии и в России. Однако сейчас больше внимания всё же уделяется инвазивным интерфейсам, когда датчики вживляются непосредственно в кору головного мозга. Например, есть интерфейсы на основе интракортикальных имплантов — это специальные матрицы, контакты которых проникают в тонкую оболочку коры мозга и могут считывать активность отдельных нейронов.

При помощи этих технологий пациентам действительно удаётся управлять прототипами протезов с большим числом степеней свободы. Ещё важно, что при разработке таких устройств учёные добавляют возможность получать от протеза обратную связь, например через прямую электрическую стимуляцию сенсорной коры головного мозга в ответ на движения протеза. Человек может чувствовать такой протез почти как собственную руку. Правда, до внедрения таких технологий на практике всё ещё далеко.

— То есть, если работы увенчаются успехом, человек с имплантированными в мозг датчиками сможет жить обычной жизнью?

— Да, это вполне возможно. Правда, со временем такие импланты могут покрываться соединительной тканью, что создаёт помеху передаче сигнала. Но этот процесс идёт медленно, и такие устройства вполне могут оказаться рабочими.

Вообще уже используются ушные кохлеарные импланты, которые довольно неплохо функционируют. Они воздействуют непосредственно на слуховой нерв и позволяют компенсировать потерю слуха некоторым пациентам. Но не всегда имплантация удачна — например, иногда человек слышит звуки, а слова из них собрать не может. Это может быть связано с нарушением процесса функциональной интеграции информации мозгом, и в этом случае необходимы новые методики обучения пациенты по использованию имплантов.

Кроме таких методик, пытающихся восстановить посредством взаимодействия с исходно зрительными механизмами, создаются системы на основе сенсорного замещения, в которых, например используется матрица электродов, которая стимулирует нервные окончания на корне языка. Их там очень много, и человек может научиться «видеть» языком.

— Вы упомянули бионические протезы. По какому принципу они действуют?

— Можно выделить два типа протезов. Механические, которые управляются сопутствующими движениями других частей тела, например протез кисти осуществляет схват при сгибании повреждённой руки в локте. Или протезы, управляемые при помощи сигналов электрической активности мышц. В этом случае протез расшифровывает активность остаточных мышц и выполняет необходимые дискретные команды.

В настоящее время разрабатываются протезы с естественным управлением, когда электрическая активность мышц превращается в плавные движения протеза. Но в этом случае нужно создать систему обучения пациентов пользованию такими устройствами, то есть обеспечить взаимодействие между человеком и машиной.

— Есть ли в РФ компании, которые занимаются технологиями в области биопротезирования и насколько такие технологии развиты? У нас существует собственная научная база для таких работ?

— Да, такие компании есть, но их немного. Например, «Моторика» специалисты которой разрабатывают сложный протез. Она сотрудничает с Дальневосточным федеральным университетом. Вместе они стараются создать методику стимуляции нервов в позвоночнике для очувствления протеза, а также для избавления пациентов от фантомных болей.

Научная база в России для таких разработок есть. Например, Центр биометрических интерфейсов во ВШЭ занят созданием основ для нейроинтерфейсов, в том числе моторных. Испытанием наших разработок занимаются специалисты в клинике на базе ФМБА Центра мозга и нейротехнологий. Продвинутые алгоритмы декодирования мышечной и мозговой активности мы разрабатываем совместно с Институтом искусственного интеллекта AIRI.

Могу привести и другие примеры. Например, в Университете «Сириус» в Санкт-Петербурге под руководством Павла Евгеньевича Мусиенко делают импланты спинного мозга для восстановления нарушенных травмой спинальных проводящих путей. Если спинной мозг серьёзно повреждён, разрушены пути, которые проводят нервные импульсы от мозга и обратно, последствия спинальной травмы оказываются катастрофическими. Имплант может помочь восстановить нарушенные нервные волокна. Опыты на лабораторных животных уже увенчались успехом, они заново научились ходить.

Кроме того, в Санкт-Петербурге под руководством Юрия Петровича Герасименко разрабатываются устройства чрезкожной стимуляции спинного мозга, которые можно использовать для запуска локомоторного цикла у пациентов с соответствующими нарушениями.

— Можно ли использовать бионические протезы и экзоскелеты в немедицинских целях?

— Да, уже сейчас экзоскелеты создаются для военных и тех, кому нужно поднимать большие тяжести. Такие устройства управляются сигналами, исходящими от мышц.

Кроме того, недавно учёные приделали шестой механический палец на руку, управлялся он с помощью движений большого пальца ноги. С помощью дополнительного пальца можно было брать сложные аккорды на гитаре и совершать другие, ранее невозможные комбинации движений. Самое интересное, что когда стали изучать активность, протекающую в мозге подопытного, оказалось, что в зонах, отвечающих за моторику рук, возникли новые связи. Они сохранились даже после того, как опыт закончился.

— В прошлом году австралийские учёные создали в лабораторных условиях систему DishBrain, которая состоит одновременно из клеток мозга, клеточной культуры и электродов. Они научили эти клетки играть в примитивную компьютерную игру. Можно ли использовать подобные разработки в сфере нейроинтерфейсов?

— Вообще, технологии выращивания клеточной культуры на матрицах уже около десяти лет. В России, например, такими исследованиями занимались в Нижегородском университете в группе Виктора Борисовича Казанцева и Ирины Васильевны Мухиной. Учёные брали клетки гиппокампа мышей и помещали их на специальные подложки, к которым были присоединены электроды. Стимулируя клетки электродами, исследователи научили нейронную сеть выполнять требуемые задачи.

Есть ещё такая технология — мемристоры. Это новый тип проводников — искусственный объект, похожий на биологический синапс, как у нас в мозгу. Такие гибридные системы представляют большой интерес для понимания и эмуляции алгоритмов обучения, которые происходят в живых системах. Возможно, эти знания можно будет использовать для замещения естественной нервной ткани. Однако пока что это только лабораторные опыты.

Можно эти нейроны также впоследствии превращать в часть какой-то электронной схемы для создания более естественных интерфейсов. Такие работы ведутся в Германии и в России. Однако нельзя забывать о том, что такие клетки нужно ещё постоянно поддерживать в живом состоянии.

— Есть целое движение трансгуманистов, которые верят, что человеческий разум и тело можно совершенствовать с помощью технологий и в возможность «цифрового бессмертия» — сознание якобы можно перенести на искусственные носители после смерти человека. Как вы оцениваете эти идеи?

Таким образом пациент может научиться управлять активностью мозга и нормализовать его функцию. Так уже лечат эпилептиков, и такие технологии могут в перспективе дать очень большие возможности по терапии различных неврологических расстройств.