Об эксперте: Алексей Осадчий, доктор физико-математических наук, специалист в области обработки сигналов активности мозга, нейровизуализации и нейроинтерфейсов. В 2003 году получил докторскую степень по электротехнике (PhD in Electrical Engineering) в Университете Южной Калифорнии. Директор Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ, также руководит лабораторией медицинских нейроинтерфейсов и искусственного интеллекта в Федеральном центре мозга и нейротехнологий ФМБА России и научной группой «Нейроинтерфейсы» Института искусственного интеллекта AIRI.
Мост между мозгом и телом
— Как бы вы объяснили доступным языком, например, подростку, как работает интерфейс «мозг — компьютер»?
— Если говорить о моторных нейроинтерфейсах, я бы начал с того, что головной мозг управляет произвольными движениями рук и ног человека. Когда мы решаем совершить движение, головной мозг посылает сигналы через спинной мозг, находящийся в позвоночнике, на наши мышцы, которые в данном случае можно назвать исполнительным механизмом. Если спинной мозг, проводник этих сигналов, поврежден, то сигналы не могут дойти до конечностей. В таком случае для восстановления утраченной связи можно использовать нейроинтерфейс — устройство, которое «подслушивает» активность мозга, расшифровывает ее (превращает в команды) и передает указания напрямую мышцам или протезам, минуя поврежденный участок спинного мозга. Это и есть наиболее привычное направление работы нейроинтерфейса: от мозга к исполнительным устройствам.
Но на этом все не заканчивается. Ведь мозг также получает огромное количество информации от наших органов чувств, в том числе от органов осязания: прикоснулись мы к яблоку — понимаем, что оно гладкое и прохладное; к наждачке — что она шершавая и т.д. Вот и нейроинтерфейсы могут работать в этом обратном направлении, доставляя напрямую в мозг тактильную информацию, которая очень важна, например, для более естественного управления внешними устройствами при помощи, как это принято говорить, силы мысли. Нейроинтерфейс, сочетающий оба таких направления работы, называется двунаправленным.
— Насколько мы знаем, исследования в области нейроинтерфейсов ведутся еще с 1990-х.
— Да, активная фаза разработок действительно началась в этот период. Во многих странах, особенно в США и Европе, они развиваются десятилетиями. В Россию подобные тренды доходят с задержкой в 15–20 лет.
Нейроинтерфейсы начинаются с нейровизуализации — нашей способности видеть мозговую активность и выявлять в ней закономерности. Первые системы были неинвазивными, основанными на электроэнцефалографии, измеряющей разность электрических потенциалов на поверхности головы с помощью электродов.
Позже появились многоканальные инвазивные системы. Один из прорывов в этом направлении — чипы Utah Array от компании BlackRock, позволяющие погружать электроды в кору мозга и считывать сигналы от отдельных нейронов или их групп.
Еще в конце 1980-х исследователь Апостолос Георгополос показал, что по активности нейронных популяций можно предсказать направление движения руки у обезьяны. Это открытие легло в основу систем, позволяющих управлять роботизированной рукой или джойстиком. Эксперименты начинались на обезьянах, но сейчас уже ведутся клинические испытания на людях.
Спрос на нейроинтерфейсы
— Какие нейроинтерфейсы сейчас особенно востребованы на рынке?
— Говоря о рыночном интересе, важно различать нейроинтерфейсы по типу сигнала (моторные, сенсорные, миографические) и по степени инвазивности (инвазивные, неинвазивные).
Моторные интерфейсы считывают мозговую активность и управляют внешними устройствами. Миографические — считывают мышечные сигналы, чаще всего с поверхности кожи, и используются, например, для управления протезами. Сенсорные интерфейсы, наоборот, передают ощущения человеку. Примеры — кохлеарные (слуховые) импланты и зрительные протезы, хотя последние пока развиты слабо.
Двунаправленные моторные интерфейсы сейчас активно развиваются. Например, студентка первого выпуска нашей магистерской программы в ВШЭ Лиза Окорокова в лаборатории Bensmaia Lab работала над системой, передающей тактильные ощущения через стимуляцию сенсорной коры. Главная задача — добиться естественности восприятия. Но это крайне сложно: мозговые репрезентации нестабильны, сигналы часто «утекают» за пределы зоны, покрытой электродами, а декодер (алгоритм, преобразующий сигналы мозга в команды для управления устройствами. — «РБК Тренды») должен все время адаптироваться. Поэтому моторные нейроинтерфейсы остаются скорее исследовательским инструментом.
За 35 лет их протестировали менее чем на 60 пациентах по всему миру — это очень мало, как и число людей, которым реально нужен инвазивный контакт с мозгом, для восстановления моторной функции. В ЦБИ НИУ ВШЭ в сотрудничестве с командой врачей из МГМСУ им. А. И. Евдокимова Михаилом Владимировичем Синкиным и Владимиром Викторовичем Крыловым мы в 2021 году продемонстрировали двунаправленный моторный нейроинтерфейс на основе малоинвазивной технологии электрокортикографии, однако по вышеописанным причинам дальнейшее развитие этого проекта не оказалось востребованным.
Инвазивные интерфейсы для восстановления речи показали большой прогресс за последние пять лет. Лаборатория Кришны Шеноя из США недавно представила интерфейс, способный в реальном времени восстанавливать речь по сигналам активности мозга. Это важное достижение, но реальная потребность в таких решениях ограничена: большинство людей, сохранивших способность управлять голосовыми связками, могут восстановить речь, не прибегая к имплантации в мозг систем электродов.
Похожее утверждение можно сделать и про людей, потерявших конечности, которых сейчас, к сожалению, очень много, но у подавляющего большинства из них сохранена связь головного мозга и мышц. Поэтому именно миографические интерфейсы кажутся наиболее перспективными. Электроды улавливают даже слабые сигналы, не вызывающие полноценного сокращения мышц, — остаточную миоэлектрическую активность.
Если двухпозиционным управлением уже никого не удивишь, то пропорциональное, плавное управление протезом — главная задача сегодняшнего дня. Мы в Центре биоэлектрических интерфейсов ВШЭ занимаемся этим с 2019 года и надеемся продолжить разработки в Федеральном центре мозга и нейротехнологий ФМБА совместно с компанией «Моторика», которая также создает системы очувствления протезов в сотрудничестве с командой из Сколтеха. В сочетании с эффективными системами управления это обеспечит более естественное использование протеза.
Если говорить о сенсорных протезах, таких как кохлеарные и зрительные импланты, здесь работа ведется уже давно. Кохлеарные импланты уже многие годы и с успехом используются. В нашей стране у их истоков стоял профессор Георгий Абелович Тарквелидзе. Сложнее обстоит дело с протезированием зрительной функции. Еще в 2000-х профессор Марк Хумаюн из США разработал ретинальный протез, позволяющий частично восстановить зрение при дегенерации сетчатки. Сейчас тестируются и системы с прямой стимуляцией коры, но они пока позволяют лишь грубо оценивать положение объектов в пространстве — до полноценного восприятия образов далеко.
— В январе 2025 года чип от компании Илона Маска Neuralink установили третьему пациенту. Однако в научных кругах часто звучит мнение, что концепция Neuralink не нова. С чем связан этот скепсис?
— Технология Neuralink действительно не оригинальная — все, что они демонстрируют, в научных лабораториях делалось еще 20–25 лет назад. Исследования в этой области вели, например, Эндрю Шварц, Ли Миллер, Мигель Николелис, Слиман Бенсмайя.
Neuralink применяют очень тонкие электроды-нити, которые имплантируются с помощью робота, в обход кровеносных сосудов. Это аккуратная, эргономичная система с беспроводной передачей данных. Однако все подвижки Neuralink — технологические. В научном смысле ничего принципиально нового эта система не дает.
Тут, на мой взгляд, более перспективен подход, который развивает Макс Ходак в компании Science. Там используются живые нейроны для установления контакта с нервной тканью, и сейчас этот тип интерфейса уже работает на животных. Нейроны прорастают внутрь коры, устанавливают контакт с клетками реципиента. Внешние нейроны оптогенетически возбуждаются, и они уже передают сигналы на кору хозяина интерфейса. Однако, как пишут сами исследователи, их подход не новый и они лишь вернулись к одной из первых идей по установлению контакта с мозгом при помощи живого электрода, протестированной еще в 1990-х Филиппом Кеннеди, и добились его надежной работы. Пока на животных.
Вызовы и перспективы нейроинтерфейсов
— Какие главные инженерные вызовы сейчас стоят перед разработкой нейроинтерфейсов?
— Многие из них сохраняются уже много лет. Один из самых сложных — это интерпретация активности мозга.
Для инвазивных интерфейсов основной вызов — это создание надежного контакта с мозгом. Существует множество решений: нейропыль, нейропиксели, микросетки, но всех их объединяет задача — надежно и воспроизводимо считывать активность мозга. При этом электроды должны быть мягкими, схожими по жесткости с тканью мозга, потому что орган все время движется — от пульсации крови, дыхания и т.д. Любой более жесткий материал вызывает воспаление и формирование соединительной ткани, которая затрудняет передачу сигнала. Упомянутые выше живые электроды представляются в этом ключе очень интересным решением.
Если говорить о декодировании (расшифровке. — «РБК Тренды») мыслей, которые простираются за пределы воображения движения собственных конечностей, то это требует подключения к огромным пространственно-распределенным массивам нейронов и, как следствие, развития очень сложных алгоритмов расшифровки информации, содержащейся в их сигналах. Пока у нас нет технической возможности считывать активность сразу с такого большого объема нейронов, расположенных в разных частях мозга. Да и подходящий вычислитель потребует довольно серьезных энергетических затрат.
Но эти проблемы принципиально разрешимы. Уже появляются материалы и технологии, записывающие активность десятков тысяч нейронов одновременно. При этом следующая большая трудность — это менеджмент этих данных, их динамическое адаптивное сжатие, передача по коммуникационному каналу в вычислительное устройство и, конечно же, интерпретация: чем больше данных, тем сложнее их расшифровывать. Решать эту задачу будут искусственные нейронные сети. Такие решения будут «черными ящиками», принципы работы которых будет сложно проанализировать. Однако создать рабочие решения станет вполне возможно. Вопрос в их эргономичности, целесообразности и востребованности с точки зрения рынка.
От управления протезами до лечения болезни Альцгеймера
— Как мы можем использовать эти нейроинтерфейсы прямо сейчас?
— Необязательно сразу «лезть в мозг», особенно когда это не нужно. Например, существует технология миоинтерфейсов. Ее самые базовые возможности используются уже сейчас для активации схвата в протезах верхних конечностей. Развитие этой технологии позволит управлять протезами не как сейчас — с ограниченными режимами типа «схватил/отпустил», а с плавным, непрерывным управлением, вплоть до движений отдельных пальцев в зависимости от свойств сформированной культи.
Существуют и неинвазивные решения для реабилитации. Например, Павел Бобров из Института высшей нервной деятельности и РНИМУ им. Пирогова работает с пациентами после инсульта. При помощи ЭЭГ регистрируется активность мозга, когда пациенты мысленно представляют движение паретичной рукой, и экзоскелет пассивно сжимает кисть. Совместно со своим научным руководителем Александром Алексеевичем Фроловым и несколькими клиническими коллективами они показали, что такая тренировка позволяет быстрее восстанавливать двигательную активность после инсульта у пациентов с гемипарезом, то есть ослаблением или утратой двигательной функции, верхней конечности.
Использование нейроинтерфейса в обратном направлении — не для декодирования сигналов мозга, а для тактильной стимуляции — также уже помогает пациентам. Наши собственные исследования, проведенные в лаборатории медицинских нейроинтерфейсов и искусственного интеллекта ФЦМН ФМБА, показали, что тренировка в парадигме активного касания виртуальных текстур с помощью электростимуляции кончика указательного пальца ускоряет восстановление тактильной чувствительности.
Кохлеарные импланты давно стали частью клинической практики. Однако не все пациенты обретают полноценный слух — технология нуждается в доработке, особенно в части адаптации человека к пользованию протезом, которую хотелось бы автоматизировать. Зрительные протезы пока в разработке.
В США, например, уже создан беспроводной имплант, стимулирующий зрительную кору. Пациенту имплантировали систему из 400 электродов, и за два года тестирования и оптимизации параметров стимуляции зрительной коры он научился ориентироваться в пространстве и различать расположение объектов.
У пациентов с болезнью Паркинсона давно применяются имплантируемые нейростимуляторы. Сейчас технологии идут к «умной» адаптивной электрической стимуляции, как в системе aDBS, разработанной в Университете Калифорнии в Сан-Франциско (UCSF), где ИИ отслеживает мозговую активность и регулирует параметры стимуляции. Это снижает энергозатраты более чем на 50% и минимизирует побочные эффекты. Мой коллега, физик-нейрофизиолог Алексей Седов из ФИЦ ХФ РАН, и его команда также работают над усовершенствованием адаптивной стимуляции, что поможет сократить зависимость пациентов с болезнью Паркинсона от фармакологических препаратов.
Кстати, к вопросу об альтернативах фармакологическим методам воздействия на мозг. Мы в Центре биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ и в компании Brainstart (сколковский резидент) разработали систему нейрообратной связи с минимальной задержкой для повышения когнитивной функции и терапии неврологических расстройств (нейрообратная связь, или НОС, — это вариант нейроинтерфейса, который позволяет человеку научиться осознанно или неосознанно управлять активностью собственного мозга; используется для лечения гиперактивности и дефицита внимания, последствий инсультов, тревожности, депрессии, эпилепсии и др. — «РБК Тренды»). Своевременная обратная связь позволяет мозгу перенастроить себя, такой процесс может происходить подсознательно. Для пациентов с болезнью Паркинсона такая тренировка могла бы стать альтернативой или дополнением к электростимуляции и фармакологическому воздействию.
Можно стимулировать зоны коры головного мозга, используя наночастицы, которые отвечают на внешний магнитный импульс. Пока это реализовано только на животных. В России ведутся аналогичные работы в новом научно-исследовательском институте LIFT (Life Improvement by Future Technologies) под руководством его научного директора Глеба Борисовича Сухорукова, мирового гуру в области наночастиц.
— Могут ли нейроинтерфейсы применяться для терапии людей с болезнью Альцгеймера?
— Недавно появились обнадеживающие, хотя и предварительные данные: если стимулировать мозг пациентов с болезнью Альцгеймера с помощью слабого электрического тока определенной частоты, уменьшается количество амилоидных бляшек (это скопления белка β-амилоида в мозге, которые нарушают работу нервных клеток. — «РБК Тренды»). Предполагается, что такая стимуляция может замедлять развитие болезни. При этом полноценным лечением такую стимуляцию назвать нельзя, поскольку сами бляшки, возможно, выполняют компенсаторную функцию.
Сигналы на доступном языке
— А можно ли масштабировать такие технологии для усиления когнитивных способностей?
— Потенциально — да. Один из примеров — транслингвальный нейроинтерфейс, разработанный Полом Бах-и-Ритой и развиваемый Юрием Даниловым в Университете Висконсина. Прибор воздействует на язык — орган с высокой плотностью нервных окончаний — и, предположительно, активирует нейропластичность. Это помогает ускорять освоение моторных навыков, например при обучении игре на музыкальных инструментах, и дает хорошие результаты в терапии пациентов с деменцией или рассеянным склерозом. Юрий Данилов также рассказывал об использовании этой технологии для «подводного видения»: сигналы об окружающей среде передаются посредством электрической стимуляции на язык дайвера.
Сейчас очень популярна тема активного когнитивного долголетия. Испытать на себе широкий спектр методик поддержания когнитивного здоровья можно в недавно открывшемся Центре когнитивного и психоэмоционального здоровья ФЦМН ФМБА России. В ближайшем будущем такие центры откроются по всей стране. Важно понимать, что помимо медицинских и технических средств никто не отменял традиционные методы поддержания когнитивного здоровья: чтение, прогулки на свежем воздухе, занятия спортом, общение с друзьями, прослушивание хорошей музыки, изучение иностранных языков и т.д.
Нейроинтерфейсы также применяются для сохранения ключевых когнитивных функций при нейрохирургических операциях. Например, во время удаления опухоли важно не повредить речевые зоны мозга. Для этого в ходе операции проводится мониторинг речевой функции, во время которого пробужденный пациент должен называть предъявляемые картинки.
Параллельно врач проводит электрическую стимуляцию участков коры — если речь при этом нарушается, участок нельзя удалять. Однако такая стимуляция в 30% случаев вызывает судороги. Альтернатива — неинвазивное картирование, например, с помощью новой отечественной системы Eloq. Совместно с институтом AIRI мы улучшили точность определения речевых зон с использованием машинного обучения, приблизив их к тем, что определяются при помощи золотого стандарта, картирования со стимуляцией.
— Насколько реально, что когда-нибудь мы сможем через нейроинтерфейс «загружать» себе знание чего-то, например английского языка?
— Если честно, пока это малореально. Но вот что может быть более достижимо, так это интерфейсы, работающие через обоняние, так называемые ольфакторные нейроинтерфейсы. Стимуляция запахами активизирует нейронные сети, участвующие в формировании воспоминаний и концентрации. Они могут укреплять память, управлять процессами консолидации памяти. Этого пока не сделано, но это гораздо ближе к реальности. Я бы даже сказал, это уже тема для вполне жизнеспособного стартапа. Работать, скорее всего, будет — вопрос лишь в том, насколько эффективно и от чего эта эффективность будет зависеть.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.