Адам Пиорей - Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма

«Когда он сообразил что к чему, он довольно скоро — и притом намеренно — увеличил скорость, с которой этот нейрон дает импульсы, — вспоминает Фец. — Это стало первой демонстрацией того, что обезьяна может контролировать положение стрелки измерительного прибора исключительно с помощью работы своих нейронов».

«Это был по-настоящему героический эксперимент, — замечает Шальк несколько десятилетий спустя, восхищенно покачивая головой. — Для семьдесят первого года это была очень трудная задача с технической точки зрения: создать прибор, который может записывать сигналы с достаточно высоким разрешением и в режиме реального времени обрабатывать их, да еще и обеспечивать обратную связь, тоже в реальном времени».

Задача оказалась достаточно трудной, поэтому об успехах Феца в конце концов подробно написал престижный журнал Science. Позже он стал считаться образцом для последующих поколений пионеров НКИ (таких как Шальк) и одним из отцов-основателей этой области исследований. Но потребовалось около двух десятилетий, чтобы к его выдающимся достижениям подтянулись другие сферы нейрофизиологии.

По оценкам Шалька, лишь в начале 80-х годов нейрофизиологи сумели найти место для нового важнейшего кусочка научного пазла и вывести НКИ на новый этап. Это произошло, когда Апостолос Георгопулос, молодой исследователь из Университета Джонса Хопкинса, измерил активность нейронов в зонах двигательной коры, отвечающих за высокоуровневую обработку данных, и показал нечто весьма примечательное: определенные нейроны двигательной коры оказались особенно чувствительными к определенным направлениям физического движения, а значит, по характеру активности этих нейронов можно было бы попытаться предсказать, куда намерена сдвинуться вся конечность [конечно, речь идет о намерении ее хозяина, а не самой конечности]. Нейроны, выявленные Хьюбелом и Визелем за несколько десятилетий до этого, реагировали на лучи света, падающие под определенным углом, а Георгопулос обнаружил нейроны, откликавшиеся на определенные разновидности движений, — скажем, на быстрый поворот запястья вправо или на быстрый тычок рукой вниз. Открытие Георгопулоса важно не только потому, что он показал: можно улавливать эти сигналы за миллисекунды до того, как совершится реальное движение, и прогнозировать эти движения, но и потому, что некоторые из этих паттернов активизации нейронов, как выяснилось, управляют поведением целых армий нейронов более низкого уровня, тех нейронов, которые благодаря своей совместной работе движут конкретными мышцами, над которыми они обладают совместным контролем.

Если эти сигналы высокого уровня (своего рода вспышки маяков, показывающие кораблю, куда пристать) проанализировать наряду с сигналами достаточного количества других нейронов, можно получить внушительное количество данных о том, как намерена двигаться конечность.

«Каждая клетка обладает предпочтениями по части направления, и сумма этих предпочтений определяет, в какую сторону двинется животное», — поясняет Георгопулос, который теперь работает в Миннесотском университете.

Георгопулос продемонстрировал, что с помощью 240 электродов он может точно предсказать, в каком направлении подопытная мартышка сдвинет джойстик. Несколько лет спустя он показал, что может проделать то же самое для трехмерных движений — с помощью 570 электродов. Позже ученый показал, что можно заранее определять не только направление, но и скорость движения, а также характер его изменения во времени.

В сочетании с несложными опытами Феца это открытие развернуло невиданные перспективы для тех, кто надеется помочь парализованным. Нейроны двигательной коры приказывают нашим мышцам шевелиться, передавая электрические импульсы вниз по своего рода междугородним телефонным проводам нашего тела: эти пучки нервов выходят из черепа, спускаются по позвоночнику и далее попадают в конечности, где они соединяются — и взаимодействуют — непосредственно с мышцами, заставляя их расширяться или сокращаться.

Когда эти нервные связи оказываются отсечены (скажем, после перелома позвоночника), результатом становится паралич. Когда двигательные нейроны, передающие сигналы от мозга к конечностям, отмирают (как при БАС), человек приходит в «изолированное» состояние. Но у многих парализованных нейроны в двигательных контрольных центрах мозга остаются неповрежденными и продолжают подавать электрические сигналы, которые направляются к месту рассечения или отмирания нервов: там эта энергия уходит в пустоту, подобно тому, как оборванный электрический провод конвульсивно искрит, свалившись на тротуар после бури.

Знаменитую максиму Пола Бах и Риты («Мы видим мозгом, а не глазами»), в сущности, можно применить и к движению. Многие люди с парализованными руками и ногами, а также многие «изолированные» пациенты по -прежнему могут «двигаться с помощью мозга»: они способны подавать своим рукам команду подняться и обнять близкого человека, даже если этот сигнал никогда не доходит до нужных мест. Они могут приказать своим ногам перевести свое тело в стоячее положение так, чтобы ноги выдерживали вес тела, — даже если, подавая такой сигнал, пациент все равно остается неподвижен. Они могут распорядиться, чтобы их губы и голосовые связки задвигались, как при пении, хотя их организм не сможет выполнить эту директиву. Когда такие люди отдают подобные мысленные команды, электрические импульсы проходят через их моторную кору волнами скоординированных сигналов, и эти волны можно уловить — если под рукой есть подходящий прибор.

Идея о том, что эти сигналы остаются погребенными в организме, однако до них в принципе можно добраться, позволяет предположить, что ученые в один прекрасный день сумеют невероятно расширить спектр возможностей, доступных парализованным. Даже обладая вполне жизнеподобными, биомеханически точными бионическими протезами, инвалиды (например, тот же Хью Герр из МТИ) все-таки могут далеко не всё: скажем, они не в состоянии встать на цыпочки, чтобы добраться до банки, которая притаилась в дальнем углу верхней полки буфета, или изогнуть стопу, чтобы надеть ботинок. Или танцевать с дочерью на ее свадьбе. Даже искусно сделанные высокотехнологичные протезы Герра полагаются на заранее внесенные в них алгоритмы, позволяющие двигать механическими ступнями лишь в согласии с движениями бедер. Это лишает Герра способности вдруг согнуть ногу, повинуясь внезапному желанию, или весело развернуться вокруг своей оси, просто подумав об этом.

Для тех, кто работает с «изолированными от мира» пациентами, «кривая настройки» нейронов (как ее назвал Георгопулос) позволяла предположить и нечто иное: что сигналы нейронов, контролирующих мышцы наших губ, глотки и языка, используемые для речевого общения, тоже можно записывать и что эти паттерны активности тоже можно расшифровать. Иными словами, получалось, что речь можно было бы восстановить, используя синтезированный голос.