Об экспертах:
- Юрий Матвиенко, руководитель департамента нейротехнологий компании «Моторика»;
- Михаил Лебедев, PhD, нейрофизиолог, профессор механико-математического факультета МГУ, заведующий Лабораторией нейротехологий Института эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова РАН;
- Дария Клеева, научный сотрудник Сколтеха, МГУ и НИУ ВШЭ, специалист по нейровизуализации и разработке алгоритмов для прецизионной медицины и когнитивного мониторинга;
- Гурген Согоян, нейрофизиолог, научный сотрудник центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколтеха, специалист в области нейропротезирования и разработке алгоритмов для анализа данных мозговой активности.
Краткая история использования электричества в медицине
О пользе воздействия электричества на тело человека понимали еще в Древнем Египте: врачи лечили пациентов с артритом разрядами электрических сомов. А в труде Compositiones medicamentorium римского врача Скрибония Ларга, жившего в I веке, зафиксированы свидетельства использования электрических скатов для облегчения боли.
В XVIII веке итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы сокращаются под воздействием электрического импульса.
В первой половине XX века ученые начали использовать электроэнцефалографию (ЭЭГ) (метод исследования функционального состояния головного мозга с помощью регистрации его биоэлектрической активности) на животных и людях. А во второй нейрофизиолог Хосе М. Дельгадо доказал, что с помощью стимуляции определенных участков мозга животного можно контролировать его эмоции. Самый нашумевший его эксперимент, проведенный в середине XX века, — управление поведением быка, в мозг которого ученый вживил радиодатчик. Стоило Дельгадо отправить на него сигнал, несущийся на свою жертву разъяренный бык останавливался как вкопанный. Это устройство считается прототипом нейроинтерфейсов — технологии, которая связывает мозг и компьютер.
Человеко-машинные интерфейсы и интерфейсы мозг-компьютер: в чем разница
Человеко-машинные интерфейсы (HMI, human machine interface) — средства, позволяющие человеку взаимодействовать с машиной. Это может быть пульт для управления телевизором или дисплей, с помощью которого работник контролирует оборудование на производстве.
HMI включает в себя интерфейс мозг-компьютер (BCI, brain–computer interface), он же — интерфейс мозг–машина (BMI, brain–machine interface). Такой интерфейс как раз и обеспечивает передачу информации между мозгом и внешним устройством, например, электроэнцефалографом, кардиостимулятором или бионическим протезом.
Поставить на ноги и дать взглянуть на мир под новым углом
Активнее всего нейроинтерфейсы применяют в медицине: с их помощью врачи и ученые исследуют работу мозга, разбираются, как именно он устроен, лечат неврологические заболевания и дают шанс на полноценную жизнь пациентам с ограниченными возможностями, восстанавливая утраченные двигательные, слуховые, зрительные и некоторые другие функции.
Например, имплантированная в голову антенна позволяет человеку с ахроматопсией — заболеванием, при котором человек видит мир в черно-белой гамме, — приобрести способность различать цвета.
Для лечения неврологических заболеваний нейрохирурги прибегают к нейромодуляции или нейростимуляции, то есть воздействию на нервную систему. Методов существует несколько. Например, глубокая стимуляция мозга используется для устранения симптомов болезни Паркинсона, синдрома Туррета и обессивно-компульсивного расстройства. Электростимуляция нервов крастца применяется в случае некоторых болезней мочеполовой системы и проблем с кишечником — при недержании мочи и кала, задержке мочи, сексуальной дисфункции. А стимуляция блуждающего нерва позволяет помочь пациентам в глубокой депрессии или страдающим от эпилепсии, судороги при которой нельзя купировать медикаментозно.
Вместе с экспертами разберем, насколько перспективны и актуальны нашумевшие нейротехнологические проекты.
Чип Telepathy от Neuralink
Чип Telepathy от Neuralink предоставляет возможность пациентам с параличом силой мысли управлять электронными устройствами, сейчас — двигать курсор и набирать текст. Это стало возможным благодаря очень тонким полимерным зондам, которые не повреждают мозг пациента. Их вживляет робот. Электроды доставляют сигналы из мозга непосредственно на чип, который отвечает за их передачу внешним устройствам.
В июле 2024 года РИА Новости взяли интервью у первого американца, которому вживили мозговой имплант Telepathy — Нолана Арбо. Он сказал журналистам, что сейчас может играть в шахматы силой мысли.
Михаил Лебедев:
«Пока в доступе есть только несколько видео с комментариями имплантированного пациента, записи нейрональной активности недоступны. Также нет научных публикаций по этому исследованию. Единственная опубликованная статья, в которой автором значится только Илон Маск, хотя такую работу он не мог проделать без соавторов, касается тестирования системы на крысах. Без доступных научных работ по исследованию на людях трудно судить о значимости этих результатов и непонятно, есть ли какие-то проблемы».
Юрий Матвиенко отметил, что Neuralink вывела имплантацию в мозг на новый уровень. «В перспективе изобретение позволит человеку с ограничением взаимодействовать с цифровым пространством, а также откроет новые возможности для более точной интерпретации сигналов мозга», — отмечает эксперт.
Создание «цифрового моста» с помощью технологии WIMAGINE
Европейские ученые разработали технологию WIMAGINE — два электронных имплантата, установленных в головном и спинном мозге. Они образуют между собой «цифровой мост», с помощью которого можно восстановить связь у пациентов с соответствующей травмой и вернуть им возможность управлять парализованными конечностями. Технологию успешно испытали на человеке. Сперва он научился управлять виртуальным аватаром, а затем — собственным телом в экзоскелете. Парализованный пациент смог пройти небольшое расстояние, управлять руками и поворачивать запястья.
«Разработка интересная, но не без проблем. Во-первых, вызов движений ног за счет электрической стимуляции спинальных афферентов, то есть вызов рефлекторных движений — несколько экзотический способ, потому что у здоровых людей ходьба не вызывается таким образом. Во-вторых, непонятно, что пишется с коры. Кора, например, отвечает за движения рук, причем не одна зона, а сразу несколько. А руки движутся в такт ходьбе. Соответственно, этот нейрональный сигнал может использоваться для управления ходьбой. В-третьих, существуют неинвазивные способы сделать то же самое. Например, запускать ходьбу электромиограммой дельтовидных мышц, а не вызывать ее функциональной электрической стимуляцией или экзоскелетом (решение европейского проекта Mindwalker). Тем не менее система впечатляет технологическим решением и может оказаться очень полезной для реабилитации пациентов с параличом ног», — комментирует Михаил Лебедев.
Технология BrainGate от Cyberkinetics
Родоначальниками технологии были ученые из Университета Брауна и биотехнологическая компания Cyberkinetics. Система BrainGate, с помощью имплантированных в мозг электродов, преобразует его сигналы в команды и позволяет управлять протезами или другими устройствами пациентам с параличом или утраченными конечностями. Сейчас проект находится на стадии испытаний.
Михаил Лебедев:
«В качестве имплантата используется матрица, которая, как и все инвазивные имплантаты, является для мозга инородным телом, от которого необходимо отгородиться глиальной и соединительной тканью. Хоть несколько статей по этой системе опубликовали в топовых журналах — Nature, Lancet, Science Translational Medicine, — практичной для долговременного использования ее назвать трудно».
Технология очувствления протезов от «Моторика», ДВФУ и Сколтеха
Имплантированный в периферическую нервную систему или спинной мозг электрод за счет стимуляции на 90% уменьшает фантомные боли у пациентов и возвращает им способность различать твердость или мягкость предмета и его размер.
Михаил Лебедев отметил, что это высокоэффективная система. «Но требуется дальнейшая разработка, чтобы система стала практичной и пригодной для долгого пользования: улучшение электродов и метода их имплантации, миниатюризация электроники и добавление беспроводных компонентов», — комментирует эксперт.
Гурген Согоян:
«При помощи разных характеристик направляемых импульсов можно варьировать возникающие ощущения и их натуралистичность. Как и в любой другой системе замкнутого контура, вступающей во взаимодействие с человеком, особенно важно обеспечить короткую задержку между повышением сигнала на датчик и изменением направляемой стимуляции. В этом проекте удалось обеспечить не только очувствление, но и реализовать полноценную двунаправленную связь, где пациент управляет протезом в свободном режиме».
Имплант спинного мозга от Центра регенеративных биотехнологий «Сагол»
Ученым Тель-Авивского университета удалось вырастить и успешно имплантировать ткани спинного мозга. Предполагается, что разработка позволит вылечить пациентов с хроническим параличом и вернуть им двигательные способности — за счет запущенного процесса регенерации в результате имплантирования индуцированных стволовых клеток.
«В ходе проекта разработан имплантат для восстановления функций спинного мозга после травм, состоящий из нейронной ткани, выращенной на специальном гидрогеле. Это позволит решить проблему отторжения имплантата иммунной системой, то есть биосовместимости. Однако исследования с участием людей еще не проводились», — говорит Юрий Матвиенко.
Имплант Science Eye от Science Corp.
Американская медтех-компания Science выпустила имплант, который призван вернуть зрение людям, ослепшим из-за пигментного ретинита и сухой возрастной дегенерации желтого пятна. Технология сочетает в себе применение генной терапии — введение инъекций в клетки зрительного нерва — и использование нейроинтерфейса. В частности, дисплея, который размещается над сетчаткой и стимулирует клетки зрительного нерва, ставшие более чувствительными благодаря терапии.
Дария Клеева:
«Данная разработка находится в тренде ныне активно развивающейся сферы оптогенетики. В ряде заболеваний зрительной системы погибают светочувствительные фоторецепторы глаза, но сохраняются ганглиозные клетки зрительного нерва. Оптогенетическое преобразование этих клеток в светочувствительные позволяет стимулировать их напрямую с помощью небольшого светового дисплея, имплантированного в глаз. Подобное воздействие на зрительный нерв не гарантирует полноценного восстановления зрения из-за низкого количества клеток оптического нерва в сравнении с фоторецепторами сетчатки, что снижает разрешение воспринимаемого изображения. Еще одна актуальная проблема — долгосрочная биосовместимость импланта».
Слуховой аппарат от KU Leuven и Cochlear
Разработкой слухового аппарата, который вернет восприятие звуков глухим людям и, возможно, поможет распознавать речь, занимаются бельгийский университет KU Leuven и австралийская компания Cochlear, которая разрабатывает и продает слуховые импланты. Система состоит из внешнего и имплантированного устройств. Внешнее принимает и кодирует звук, а затем передает инвазивному, которое стимулирует слуховой нерв пациента. Технология регистрирует и интерпретирует мозговые волны, определяя таким образом качество слуха пользователя, что позволяет настраивать аппарат для наиболее эффективной работы.
«Подобное программное обеспечение позволит пациентам лучше воспринимать речь и музыку, фильтруя шум, значительно улучшит качество жизни и позволит естественнее воспринимать окружающий мир звуков», — говорит Юрий Матвиенко.
Дария Клеева считает, что сама по себе внутриушная и околоушная ЭЭГ интересна, потому что при удачном сочетании конфигурации электрода и его расположения можно зарегистрировать не менее устойчивый слуховой ответ, чем при использовании стандартной ЭЭГ. «Более того, по результатам предыдущих исследований, ушная ЭЭГ запечатлевает и более сложные процессы, в частности, слуховое внимание. Перспектива развития устройства — автоматическая настройка интенсивности стимуляции слухового нерва в зависимости от объективной оценки звукового восприятия пациента на основе ЭЭГ», — отмечает эксперт.