Дэвид Иглмен - Живой мозг

Надо надеяться, в будущем мы научимся исцелять спинной мозг, но на данный момент не умеем этого делать. В итоге тут видится единственный выход: а что, если бы у врачей была возможность не отслеживать моргания Боби, а напрямую измерять импульсы в его мозге? Что, если бы нам удалось перехватить и понять команды, которые нейронные цепочки пытаются отправлять мышцам, а потом в обход поврежденных тканей донести эти послания до мышц и заставить их выполнять соответствующие действия?

Через год после смерти Боби исследователи из Университета Эмори имплантировали интерфейс «мозг — компьютер» Джонни Рэю, пациенту с синдромом «запертого человека», и тот прожил достаточно времени, чтобы обучиться управлять компьютерным курсором, просто воображая нужное действие8. Его моторная кора лишилась возможности передавать сигналы через поврежденный спинной мозг, зато их воспринимал и передавал компьютеру имплантат.

К 2006 году парализованный американский футболист Мэтт Нэгл научился с большим трудом сжимать и разжимать ладонь искусственной руки (рис. 5.9), регулировать освещение, открывать электронную почту, играть в видеоигру Pong и рисовать окружность на экране компьютера9. Эти способности проявились благодаря вживленной в моторную кору плате размерами 4 × 4 мм почти с сотней электродов. Мэтт представлял, какое действие совершают его мышцы, мысль активировала моторную кору, позволяя ученым фиксировать активность и более или менее определять, что он хочет сделать.

Рис. 5.9. Управление роботизированной рукой за счет мысленного представления конкретного движения

Andrew B. Schwartz

Пусть технология, которую ученые применили в случаях Джонни и Мэтта, была, как говорится, создана на коленке и не отлажена, но главное в том, что она доказала возможность вернуть парализованным дар движения. К 2011 году группе нейробиологов из Питтсбургского университета под руководством Эндрю Шварца удалось создать протез руки, почти не уступающей настоящей в восприимчивости и двигательных возможностях.

Участвовать в испытании вызвалась Джен Шойерманн, парализованная в результате спиноцеребеллярной атаксии[37]. С согласия Джен ей провели нейрохирургическую операцию, чтобы дать возможность действовать протезом10. После операции сигналы считываются непосредственно с моторной коры Джен. Теперь она может представить какое-нибудь движение рукой, и протез, повинуясь ее мысли, выполняет его. Располагается протез на некотором отдалении от Джен, что вовсе не меняет дела: через провода, соединяющие ее мозг с компьютером и роборукой, женщина может послать ей команду плавно повернуться и взять нужный предмет, притом получается это ничуть не хуже, чем много лет назад, когда у Джен действовала собственная рука. В норме, когда у нас возникает мысль что-либо сделать рукой, соответствующие сигналы отправляются из моторной коры в спинной мозг и затем по периферическим нервным путям передаются мышечным волокнам. У Джен сигналы, считываемые с ее мозга, путешествуют другим маршрутом — не по нейронным путям к мышечным волокнам, а по проводам, ведущим к моторчикам в протезе. Постепенно Джен приноравливается все лучше и лучше действовать искусственной рукой, отчасти благодаря более совершенной технологии, но также и потому, что ее мозг несколько подправил свою нейронную сеть, чтобы наилучшим образом управлять новой конечностью — точно так же, как если бы это был велосипед с обратным рулем, доска для серфинга или робот-скафандр Эллен Рипли (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Управляемый силой мысли робот-костюм для парализованных. Такого рода нейропротезные устройства пока не ушли дальше ранних стадий проектирования, но мало-помалу приближаются к границам возможного

Gregoire Cirade / Science Photo Library

Как говорит Джен, «если уж на то пошло, я все же больше предпочитаю иметь мозг, чем руки»11. Потому что если у вас есть мозг, то к нему можно пристроить новое тело, а наоборот — никак.

В настоящее время активно разрабатываются интерфейсы «мозг — компьютер» для восстановления подвижности всего тела парализованных12. Так, чтобы вернуть им двигательную способность, группа ученых в рамках международного проекта Walk Again («Вновь ходить») работает над подобием экзоскелета[38] на все тело с головы до пят, которым можно управлять с помощью мысленных команд. По замыслу ученых, парализованному человеку останется только подумать о каком-либо действии, как это делает Джен, и «костюм» это действие выполнит. Для реализации замысла добровольцу планируется имплантировать пластины с высокой плотностью электродов в десять разных областей мозга — в дальнейшем это позволит пациентам канализировать свою мозговую активность, чтобы управлять сложнейшими роботами13.

Ученые из Института медицинских исследований имени Файнштейна в Нью-Йорке в 2016 году избрали несколько другой подход. Ученые перехватывали сигналы моторной коры, чтобы знать, когда она отдает команды мышцам, но информацию направляли не роборуке или костюму, а непосредственно мышцам через установленную на предплечье пациента систему электростимуляции14. Участник эксперимента думает о каком-либо движении руки, и сигналы (пропускаемые через алгоритм машинного обучения для наиболее точной интерпретации бури нейронной активности) обходят стороной поврежденный участок спинного мозга и перескакивают на мышечный стимулятор. И рука выполняет движение. Парализованные испытуемые могли производить различные движения запястьем и кистью руки: брать предметы, поворачивать их в разные стороны и класть на место, а также двигать пальцами, что позволяло набирать номер на телефоне, использовать клавиатуру и т. п.

* * *

Идея перенаправлять выходные нервные импульсы к роботизированной руке обладает одним недостатком: мозг не получает обратной сенсорной связи от пальцев. Рука-робот может слишком сильно сдавить яйцо или, наоборот, так слабо, что не удержит, а промашка будет осознана, только когда уже поздно ее исправлять. Так младенец может агукать в наушниках, не слыша, какие звуки производит.

Для устранения данного недостатка следует замкнуть петлю обратной связи. Этого можно достигнуть переключением паттернов активности в соматосенсорную кору. Когда роборука прикасается к предмету, в соматосенсорные области направляется паттерн, эквивалентный прикосновению к кончикам пальцев, и тогда у человека возникает ощущение, что он прикасается к поверхности с конкретной текстурой. Прикосновение к другим предметам позволит ощутить уже другую текстуру. Таким образом человек получает ощущение сенсорного взаимодействия с миром. Его мозг благодаря своей гибкости со временем научится преобразовывать эту схему в полное восприятие роботизированной руки как собственной. Мозг успешнее всего обучается двигать телом при замкнутой петле обратной связи — не только за счет посылаемых сигналов, но и за счет принимаемых, которые подтверждают, что взаимодействие с миром происходит. Например, когда младенец бьет ручкой по деревянным планкам кроватки, он осязает их, видит и слышит звук удара.