Вести с полей. Нейроинтерфейсы от Михаила Лебедева: как работают, зачем нужны, какие планы

На прошедшем в Орле форуме «Наука будущего — наука молодых» Михаил Лебедев, профессор механико-математического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, руководитель лаборатории, созданной в рамках программы мегагрантов в ВШЭ (2018–2022), рассказал про использование нейроинтерфейсов в области нейрореабилитации.

Михаил Лебедев начал свое выступление с рассказа об инсульте. Вероятность получить его в течение жизни — 1 к 5. И мало просто пережить это страшное состояние, нужно еще и восстановиться после него, ведь могут пострадать двигательные функции, речь и многое другое. Для этого специалисты используют нейроинтерфейсы, которые работают на принципах нейропластичности, то есть способности мозга меняться под воздействием опыта и восстанавливать утраченные связи. Принцип работы достаточно прост: специалисты подключают электроды к нервной системе, тем самым компьютер считывает сигналы, которые передают нейроны, а пациент выполняет разные задания, которые восстанавливают функции.

Сейчас рынок нейротехнологий активно растет, особенно в Северной Америке. В нашей стране это направление новое, поэтому сейчас есть великолепная возможность начать развивать технологии и заполнить нишу.

Чтобы нейрореабилитация прошла успешно, у пациента должна быть мотивация: ему необходимо посылать сигнал сделать конкретное действие (например, взять предмет механической рукой). Так мозг будет восстанавливать утраченные функции, и реабилитация будет успешной.

Благодаря нейроинтерфейсам парализованные люди могут ходить в экзоскелете, пациенты, пережившие ампутацию рук, могут управлять бионическими протезами силой мысли. Есть огромное количество проблем со здоровьем, при которых применяют нейроинтерфейсы. Все их можно поделить на две функции: эти системы либо реабилитируют человека, либо заменяют утраченные (либо ослабленные) функции.

Один из самых ярких примеров второго варианта, которые часто приводят на научных конференциях, — это нейроинтерфейс, который поможет человеку управлять компьютером силой мысли. На данный момент это невозможно, но, может быть, станет реальным в будущем.

Самые точные нейроинтерфейсы — это те, в которых сигнал записывается инвазивно. Применять эту методику начали еще давно. Первым это сделал Эдвард Эвартс. Он записывал деятельность мозга обезьян и по паттернам активности нейронов пытался понять, какое движение рукой сделало животное.

Вообще, с обезьянами было много экспериментов, связанных с нейроинтерфейсами. Например, очень известным стал эксперимент самого Михаила Лебедева, в котором животное сидело в тележке и управляло ей через инвазивный нейроинтерфейс. Перед обезьяной стояла задача добраться до вкусняшки — винограда, при этом не вылезая из тележки.

Чтобы понять, какой была активность нейронов, нужно расшифровать информацию, полученную от электродов. Для этого специалисты используют декодирующие алгоритмы. «Нейросети очень хорошо сочетаются с нейроинтерфейсами», — поделился Лебедев.

Самая большая проблема, которая сейчас существует с инвазивными нейроинтерфейсами — это биосовместимость (конечно, помимо этической стороны вопроса, запрещающей вскрывать здоровому человеку череп). Электроды давно уже можно внедрить в мозг человека. Они работают какое-то время, но потом сигнал становится все хуже и хуже, пока не прекращается. Это происходит от того, что ткань мозга понимает, что в нем находится инородное тело, и электроды начинает покрывать глиальный рубец, «отрезающий» его от мозга.

Неинвазивные методы имеют менее качественный сигнал и чаще используются в тех случаях, когда точность не так важна. Один из примеров таких методов — электроэнцефалография.

Выступающий также рассказал и о второй важной функции нейроинтерфейсов — нейрореабилитации. Здесь не нужно очень высокое качество сигнала нейроинтерфейса, поэтому часто используется ЭЭГ. Такой подход помогает лечить последствия инсульта (параличи, речевые дефекты и так далее). Чаще всего человек просто сидит перед экраном и в формате игры выполняет задания. Иногда специалисты усложняют систему, добавляют VR, нейростимуляцию. Тогда процесс восстановления идет еще быстрее и эффективнее.

Во всех протоколах реабилитации после инсульта рекомендуют использовать моторное воображение. Его суть заключается в том, что человек представляет, что совершает движение.

Совершенно новый подход — это зрительно-моторная трансформация. Его суть заключается в том, что наши движения совершаются с помощью зрения: вижу предмет — беру его в руку. В целом зрительное восприятие — это результат нашего опыта (есть даже теория, что мы видим мир не таким, какой он есть, а так, чтобы выживать, то есть зрение сформировалось эволюцией). Когда мы смотрим на что-то, в этом задействовано огромное количество зон мозга. Если же мозг поражен инсультом, то нужно как бы «перезагрузить» цепочку обработки зрительных данных.

Сегодня уже существуют нейроинтерфейсы, которые могут сделать это. Например, интерфейс, основанный на потенциале P300. В нем человек в виртуальной реальности стреляет из пистолета в шарик. Он повторяет это много раз, в результате чего мозг восстанавливает свои функции, что и доказывают первые результаты.

Однако нейроинтерфейсы могут не только реабилитировать, но и ускорять реакцию человека. В том же Р300 ученые смогли сократить зрительно-моторную трансформацию (то есть процесс обработки зрительных данных).

Особенно важную роль сейчас играет нейрореабилитация обоняния, которая стала очень актуальной во время пандемии коронавируса. «Нейроинтерфейс на основе обоняния напрашивается», — прокомментировал ученый. Восстановление происходит очень просто: человек ощущает запах, а потом выбирает картинку, которая соответствует этому запаху. Ученые собираются двигаться дальше в этом направлении, ведь оно очень важно, в том числе для пожилых людей, которые иногда не распознают запах гари, газа или испорченных продуктов.

Текст: Анастасия Черкесова

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».