Алло, компьютер? Мозг на связи!

Как нейроинтерфейсы позволяют бороться с болезнью силой мысли

5 декабря состоялось вручение Премии РБК Петербург 2018. Это награда в области бизнеса, цель которой — популяризация цивилизованного предпринимательства. В номинации «Инноватор» победителем стал Константин Сонькин — основатель компании «АйБрейн» (iBrain). Под его руководством коллектив ученых, врачей, инженеров и программистов разработал и начал практическое применение технологии, помогающей обездвиженным пациентам восстановить утраченные функции мозга. Достигается это путем использования внешнего нейроинтерфейса — аппаратуры, предназначенной для чтения мыслей. Буквально.

От кибербыков до киберконечностей

Термины с приставкой «нейро» все чаще мелькают в новостях, блогах и аналитических статьях, посвященных современным технологиям. Нейросеть, нейрографика, нейрокопирайтинг — будущее уже стучится в дверь... Точнее, прямо в мозг.

Понятие «нейроинтерфейс» включает целое семейство технологий, главное назначение которых — обеспечение обмена информацией между мозгом и каким-либо электронным устройством. Предок современных нейроинтерфейсов был изобретен еще в 50-годы XX века профессором Йельского университета Хосе Мануэлем Родригесом Дельгадо и получил название «стимосивер». В 1963 году с помощью стимосивера, вживленного в мозг бойцового быка, Дельгадо заставил нападавшее животное остановиться, а затем бегать кругами по арене.

Дальше — больше. Нейроинтерфейсы стали все активнее использоваться в медицине, особенно в области восстановления слуха, зрения и подвижности конечностей. Большая часть подобных устройств — инвазивные, то есть требуют непосредственного помещения в мозг путем операции. Таковы, например, кохлеарные имплантаты, замещающие внутреннее ухо у глухих людей и передающие звуковые сигналы мозгу.

Первый нейроинтерфейс, предназначенный для помощи парализованным людям, был применен в 1998 году неврологом из США Филиппом Кеннеди. С помощью вживленных в мозг электродов музыкант Джонни Рей, перенесший инсульт, получил возможность передвигать курсор по монитору компьютера буквально силой мысли. Этот эксперимент принес Кеннеди звание «отца киборгов». Позже он разработал систему, позволявшую полностью запертому в парализованном теле человеку передавать на компьютер звуки и отдельные слова, просто произнося их мысленно.

«Отец киборгов» Филипп Кеннеди. Фото: Dan Winters

В 2000-е годы в развитии нейрофизиологии и нейроинтерфейсов произошел качественный скачок. Вживленные в мозг имплантаты позволяют уже не только перемещать курсор по экрану. С их помощью парализованные пациенты включают и выключают бытовые приборы, играют в компьютерные игры, но самое главное — управляют искусственными конечностями. В 2012 году участница эксперимента, утратившая возможность двигаться 15 лет назад, смогла выпить стаканчик кофе с помощью управляемой мозгом роботической руки.

Количество подобных разработок с каждым годом растет. В 2017 году группа ученых из разных стран провела в Тюбингенском университете испытания системы для людей, которые не могут двигать даже глазами. Оборудование позволило им отвечать «да» или «нет» на задаваемые вопросы. А в 2018 году американские ученые под руководством Джейми Хендерсона создали специальный инвазивный нейроинтерфейс для управления планшетом. Одна из испытуемых в процессе эксперимента сумела сделать самостоятельную покупку в онлайн-магазине.

Но особенно важно появление неинвазивных (внешних) устройств, давших возможность отказаться от опасных операций на головном мозге.

Переводчик с электрического

В настоящее время существуют внешние нейроинтерфейсы, считывающие разные виды сигналов. Например, для этих целей может использоваться спектроскопия — распознавание активности участков коры мозга по интенсивности кровотока в них. Некоторые приборы регистрируют и интерпретируют движения глаз пациента. Но самые впечатляющие результаты получены при помощи электроэнцефалографии, то есть ЭЭГ-гарнитур.

Электроэнцефалография — метод диагностики, с которым многие из нас знакомы на личном опыте. ЭЭГ позволяет регистрировать биоэлектрическую активность мозга с помощью электродов, контактирующих с кожей головы. Метод давно и очень широко применяется в медицине для распознавания очагов эпилептической активности и других патологий, установления причин неврологических проблем, оценки результатов лечения.

Принцип использования ЭЭГ в нейроинтерфейсах тот же, что и в диагностике. Наш мозг состоит из нейронов, которые способны передавать друг другу электрические импульсы. Различные раздражители заставляют активизироваться тот или иной участок мозга. Задача исследователя — установить четкую связь между типом раздражителя и конкретным участком мозговой коры. Если нейроинтерфейс создается для помощи парализованному человеку, таким раздражителем служит... воображение.

Электроэнцефалография

Удивительно, но с точки зрения мозга поднять руку и представить, что вы поднимаете руку, — практически идентичные действия. Одна и та же группа нейронов приходит в возбуждение, когда вы сжимаете в руке мяч и когда вы представляете, как сжимаете мяч. В ходе разработки нейроинтерфейса испытуемые многократно повторяют в мыслях определенный набор действий, а ученые фиксируют и анализируют данные ЭЭГ. Затем создается программа, способная расшифровывать эти мысленные сигналы и передавать их компьютеру. А дальше перед нами открываются впечатляющие возможности. Компьютер, распознав определенный сигнал, может передать команду дальше: искусственной конечности, экзоскелету, аппарату миомускульной стимуляции или объекту виртуальной реальности. Таким образом парализованный человек сможет управлять механическими приспособлениями, инвалидной коляской, собственными конечностями и пальцами или любым программным интерфейсом для работы, общения и развлечения.

Движение к жизни

Помочь человеку двигаться и общаться — очень важная задача. Но за разработкой механических и программных средств легко забыть о том, что утраченные физические возможности зачастую можно вернуть, пусть даже не полностью. Самый яркий пример — реабилитация пациентов после инсульта. Инсульт — острое нарушение мозгового кровообращения, приводящее к повреждению или отмиранию нейронов. В России ежегодно регистрируется более 400 тысяч инсультов. Около половины переживших инсульт людей лишаются возможности двигаться. Реабилитация сводится, как правило, к физиотерапевтическим процедурам, и к полноценной жизни возвращаются далеко не все больные. Как быть тем, кому не помогли традиционные методы?

Стартап iBrain, с которого начался наш рассказ, занимается решением именно этой проблемы. Нейроинтерфейс, разработанный Константином Сонькиным и коллегами, представляет собой компактный электроэнцефалограф плюс специальное программное обеспечение, принимающее и расшифровывающее сигналы с него. Процесс реабилитации представляет собой подобие компьютерной игры: парализованный человек, представляя себе движение рукой, перемещает руку своего виртуального «двойника» на мониторе.

iBrain в действии. Фото: https://i-brain.tech

Результат, который можно увидеть, — вот ключевой момент! Прежде всего, это дает мощный стимул для больного не сдаваться и двигаться дальше. Врач опирается в данном случае на природные возможности человеческого организма. Постоянная стимуляция участков мозга, отвечающих за контроль над движениями, приводит к частичному восстановлению связей между нейронами. Функции погибших клеток берут на себя соседние.

Подобные системы существуют и за рубежом. В 2015 году специалисты Калифорнийского университета объединили нейроинтерфейс с аппаратом нейромускульной симуляции. В результате человек, парализованный ниже пояса, смог делать шаги на специальном подвесе, управляя ногами с помощью мысленных сигналов. Для подготовки испытуемый тренировался управлять своим виртуальным аватаром на мониторе компьютера.

А в 2017 году в Австралии был протестирован метод восстановления функций рук после инсульта, основанный на тех же принципах, — только обратная связь была не визуальной, а тактильной, в виде специальной движущейся площадки для ладони. В течение девяти недель моторные функции у испытуемых улучшились на 36%.

Основные отличия разработки iBrain от зарубежных аналогов — низкая стоимость и возможность применения на дому. Оборудование стоит сотни тысяч рублей, но, по словам Константина Сонькина, это все равно в десять раз меньше цен на подобные системы за рубежом. Для проекта был специально разработан электроэнцефалограф буквально карманного размера. А это значит, что работать с ним можно где угодно — в том числе и дома, сразу после выписки из больницы. Ведь чем раньше запущен процесс реабилитации, тем больше шансов на возвращение подвижности.

Игровой интерфейс комплекса iBrain. Фото: https://i-brain.tech

Что дальше?

Компания iBrain продолжает свою работу, и уже сейчас ее оборудование используется в работе с людьми, перенесшими инсульт. В планах на будущее — разработка системы прямого управления внешними устройствами (манипуляторами и роботами-помощниками), а также создание игровых сред, управляемых сигналами мозга. Очевидно, недалек тот день, когда нейроинтерфейсы из сложных медицинских областей переместятся в повседневный быт. Нейромессенджеры, нейросмартфоны и нейроприставки — почему нет?