Наступление нейроэпохи

 Наступление нейроэпохи
Зародившись в ранних экспериментах электрофизиологов, концепция мозговых и спинномозговых имплантов прошла долгий путь, превратившись из предсказаний ученых в предмет обсуждения широкой общественности и на страницах массмедиа. Сейчас мы находимся в шаге от того момента, когда инновационные медицинские технологии, включая подходы в нейрореабилитации, нейропротезировании и даже расширении функций мозга, станут стандартной практикой повседневной жизни. Эти технологии, казавшиеся недавно лишь фантастикой, обещают кардинально изменить подходы к лечению, восстановлению и повышению человеческих возможностей, пишет Николай Сыров из «Эксперта» в своей статье «Нейро милосердия».

Громкое вживление


28 января нынешнего года Илон Маск сообщил, что команда основанной им в 2016 году компании Neuralink успешно вживила нейроимплант в мозг первому пользователю-человеку. Интересно вспомнить, как в августе 2020 года Neuralink показала миру первых хрюшек с нейрочипом и тогда же президент компании Макс Ходак (ныне CEO стартапа Science) заявил, что уже к концу года планируется перенести этот опыт на человека. Но на тот момент у компании еще не было одобрения Управления по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA) на проведение клинических испытаний на людях. И вот в мае 2023-го разрешение регулятора было получено, а спустя еще девять месяцев (и почти восемь лет после начала исследований) мир облетела новость о том, что парализованный человек — первый носитель нейроимпланта от команды Маска — успешно пользуется компьютером при помощи исключительно мозговой активности.

Следя за публикациями Илона Маска в соцсетях, весь мир пребывает в ожидании массового вживления чипов в мозг парализованных пациентов. И, вероятно, скоро так и будет, поскольку Илон Маск и Neuralink далеко не первопроходцы в этой области и имеют сильных конкурентов, пусть и не с такими громкими именами.


Имплантология


Нейроимпланты — устройства для считывания или стимуляции электрической активности нервной ткани, устанавливаемые в тело человека или животного. Их можно разделить на периферические — вживляемые в периферические отделы нервной системы, проводящие пути, — и центральные — вживляемые в отделы центральной нервной системы: головной или спинной мозг.

Импланты, устанавливаемые в головной мозг, в свою очередь, можно подразделить на группы в зависимости от глубины установки: одни могут устанавливаться на поверхности коры мозга, не проникая внутрь, другие могут проникать на глубину, захватывая сигналы из разных слоев коры, третьи могут проникать глубоко в мозг и достигать подкорковых структур.

В последнее время для увеличения сродства с нервной тканью и снижения повреждающих эффектов имплантации ученые и инженеры всего мира стараются разработать гибкие или даже желеобразные нейроимпланты. Однако на данный момент самой часто используемой системой является массив из твердых карбоновых микроэлектродов, который буквально «вдавливается» в кору мозга, чтобы проникнуть на глубину примерно 1 мм (матрица Юты).

Нервных клеток в мозге миллиарды, и поэтому разработка нейроимплантов идет по пути увеличения числа контактов с нейронами. Если разработанная в 1990-х годах матрица Юты несет на себе прядка 100 электродов (то есть в теории может записывать активность не более 100 отдельных нейронов), то более современные системы насчитывают десятки тысяч отдельных датчиков, каждый из которых может записывать активность независимо от остальных.

Как же поместить столько электродов в мозг, не повредив нейроны и кровеносные сосуды мозга? Электроды могут покрывать большие площади коры снаружи, не проникая внутрь, формируя как бы дополнительный слой коры (этот принцип реализован в системе «7-й слой» от компании Precision Neuroscience). Другой путь — сделать так, чтобы можно было получить больше контактов, не протыкая мозг тысячью электродов. И эту стратегию выбрали компании Neuralink и Imec: в их имплантах один вживляемый в мозг электрод, который может нести на себе десятки и даже сотни независимых сенсоров, и тогда можно вставить в мозг всего 100 проволочек, но получить тысячу контактов с нейронами.


Не Маском единым


Еще в 1990-х американской компанией Blackrock Neurotech, базирующейся в штате Юта, была разработана микроэлектродная матрица для регистрации активности десятков нейронов коры мозга, известная как Utah Аrray (матрица Юты). В 2004 году она впервые была испытана на человеке и с тех пор остается единственным нейроимплантом, имеющим разрешение от FDA для хронической (долговременной) имплантации в живой человеческий мозг. В 2015 году четыре матрицы Юты были установлены в моторную и соматосенсорную кору 29-летнему американцу Натану Коупленду, полностью парализованному ниже грудного отдела. Коупленд — рекордсмен по длительности непрерывного «ношения» мозгового импланта: он живет с ним уже более восьми лет, активно используя нейроинтерфейс для взаимодействия с компьютером и управления роботизированной конечностью. Движения робота-манипулятора контролируются сигналами нейронов моторной коры пациента. Кроме того, когда он касается протезом предмета или жмет собеседнику руку, то испытывает соответствующие тактильные ощущения. Это делают возможным специальные датчики на пальцах роборуки, которые детектируют прикосновение к объекту и передают сигнал на электроды, вживленные в соматосенсорную кору. В норме она принимает сигналы от рецепторов кожи, и прямая стимуляция нейронов в этой области мозга ощущается как щекотка, зуд, давление и т. д. Натан Коупленд был первым пациентом — пользователем двунаправленного нейроинтерфейса, осуществляющего не только регистрацию активности мозга и управление компьютером, но и стимуляцию нейронов мозга, цель которой дать мозгу обратную связь, хотя бы частично воссоздать утраченные сенсорные функции. Этот результат — заслуга коллектива ученых Чикагского университета, в том числе Слимана Бенсмайи, который, кстати, несколько раз участвовал в большой международной конференции. 

Если стимуляция соматосенсорной коры приводит к появлению тактильных ощущений, то при раздражении нейронов зрительной коры человек начнет видеть вспышки света: получать зрительные ощущения, называемые фосфенами. Они могут быть разными по форме, размеру и цвету в зависимости от параметров стимуляции. Это явление открывает возможности для использования нейроимплантов не только для восстановления сенсомоторных функций, но и для возвращения зрения. Так, в 2018 году одна матрица Юты на 96 электродов была вживлена в зрительную зону коры 60-летней пациентке Бернардете Гомес, которая в итоге получила способность к зрительному восприятию спустя 16 лет после полной утраты зрения. Камера, выполнявшая роль глаза, передавала на имплант сигналы, вызывая появление фосфенов различной формы. С помощью такого искусственного зрения пациентка могла идентифицировать некоторые буквы и распознавать границы объектов. Однако уже через полгода имплант пришлось удалить. Пока в большинстве случаев такие массивы электродов не задерживаются в мозге пользователей надолго: их извлекают уже через год-два после установки, и случай Натана Коупленда является уникальным.


Внедрить без отторжения


Сейчас имплантации проводятся в рамках научных экспериментов с четко прописанным протоколом исследования: пациентам-пользователям вживляют в мозг электроды, ученые и инженеры с их помощью регистрируют мозговые сигналы, анализируют их, строят алгоритмы декодирования, конструируют на их основе нейрокомпьютерный интерфейс и проводят различные тесты, позволяющие получить уникальные сведения о работе мозга. Когда исследование заканчивается, имплант обычно извлекают. Это может произойти и раньше, если будут обнаружены признаки нейровоспаления и/или произойдет ухудшение качества регистрируемого сигнала.

Это случается из-за того, что электроды со временем покрываются изолирующей оболочкой из нейроглии — вспомогательных клеток нервной ткани. Такая реакция обрастания, обеспечивающая защиту мозга от попавшего в него инородного тела, является одной из главных сложностей, с которыми связано применение инвазивных нейроимплантов, то есть таких, которые вводятся в кору мозга через отверстия в черепе (вероятнее всего, качество сигнала, регистрируемого имплантом Натана, значительно ухудшилось с момента установки, но этого все еще достаточно для эффективного управления).

Технологическое решение, предложенное Neuralink, предполагает, что прецизионная, выполняемая при помощи специального робота — «швейной машинки», имплантация тончайших нитей-электродов снизит вероятность включения защитных механизмов в мозге и нейроимплант останется функциональным надолго.

Другой оригинальный подход выбрала австралийская компания Synchron, создавшая стент-электродную регистрирующую матрицу, или стентрод. Это 16-электродная каркасная конструкция из тончайшей проволоки, которая вводится в мозг эндоваскулярно — через яремную вену, то есть для имплантации не нужно делать трепанацию черепа. Стентрод может «слышать» активность нейронов через стенки кровеносного сосуда и защищен ими же от обрастания глиальными клетками. В начале 2023 года Synchron опубликовала отчет об установке и использовании их стентродов четырьмя парализованными пациентами из Австралии. В том же году компания окончила набор шести пациентов для исследования в США. Стоит, однако, отметить, что регистрация нейронной активности через сосудистую ткань не позволяет добиться такой же точности и многофункциональности нейроуправления, как при прямом контакте электрода с нервной тканью. Поэтому в настоящее время технология Synchron предлагает только функцию мысленного клика, а более сложные функции управления, такие как перемещение курсора и выбор цели на экране, пациенты совершают при помощи технологий отслеживания направления взгляда.
 
В России также есть представители индустрии инвазивных нейротехнологий. В их числе можно назвать компании «Моторика» и «Сенсор-Тех». Первая занимается разработкой бионических протезов конечностей (пока преимущественно верхних). Пользователям таких протезов доступно управление движениями механических пальцев за счет регистрации и декодирования сигналов напряжения мышц сохранившейся части конечности. Однако компания ведет активные разработки в направлении использования инвазивных подходов регистрации и стимуляции нейронной активности. Совместно с сотрудниками Центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколтеха команда «Моторики» разрабатывает технологии очувствления протезов: угол сжатия протеза и сила захвата предмета могут быть закодированы в паттернах стимуляции сохранивших чувствительность нервов руки пользователя, воссоздавая тактильные и проприоцептивные ощущения. Первые исследования показали, что пациенты учатся «осязать» протезом.

Про первые результаты исследований с очувствлением рассказывает Гурген Согоян — аспирант и сотрудник Сколтеха, главный исследователь в данном проекте:

«В исследовании мы работали с несколькими пациентами, некоторым из них были имплантированы электроды в периферические нервы руки, другим — в область спинного мозга. Такие импланты использовались, чтобы подавать электрические стимулы к сенсорным волокнам и таким образом замещать естественный канал передачи соматосенсорной информации.

Наше первое исследование подтвердило предположение, что при помощи такой стимуляции можно создавать ощущения в фантомной конечности (субъективное ощущение существования конечности после ее ампутации или утраты чувствительности. — «Эксперт»), при этом ощущения могут быть крайне реалистичными и восприниматься как прикосновение или давление на кожу. Один из пациентов, используя протез, научился распознавать размеры объектов, ощущая сжатие своей фантомной руки в момент сжатия кисти протеза. Мы также смотрели, насколько инвазивная стимуляция может быть более эффективной при очувствлении протеза по сравнению с неинвазивной, когда мы не подключаемся к нерву напрямую, а стимулируем кожные рецепторы пользователя при помощи вибромоторов. Удивительно, но оказалось, что разница не столь уж значительна, и неинвазивная стимуляция может быть столь же эффективной. Мы продолжаем исследовать этот аспект.

Во втором исследовании, рассчитанном уже на длительный период наблюдения, мы изучали сенсорную обратную связь в динамике. Наши пациенты учились различать объекты через протез без зрительного сопровождения и продемонстрировали значительный прогресс в выполнении этой задачи. В ходе исследования пациенты учились определять жесткость объектов, и впервые для одного пациента было проведено сравнение спинальной и периферической стимуляции. Мы увидели, что периферическая стимуляция вызывает более натуралистичные ощущения».

Второй пример — лаборатория «Сенсор-Тех», нейроимплант которой решает задачу восстановления зрения у тотально незрячих, даже если у них вовсе нет глаз. Их зрительный имплант будет помещаться на медиальную межполушарную поверхность затылочной коры и стимулировать зрительные нейроны, вызывая у пользователя световые ощущения — фосфены. Сейчас компания находится на стадии доклинических исследований на приматах и готовится к имплантации второго устройства для проведения поведенческих тестов и оценки приживаемости импланта. В разработке сенсорных протезов особую сложность представляет задача кодировки информации в паттерн стимуляции нервных клеток мозга.

Человечеству недоступны «коды» мозга, и ученым остается подбирать такие параметры электрического сигнала, чтобы возникающие у пользователя при стимуляции, например, зрительной коры световые ощущения были информативны и помогали ориентироваться в пространстве. Очевидно, что «зрение», воссозданное искусственно через стимуляцию мозга, не отобразит внешний мир в том многообразии форм и оттенков, которые доступны естественному зрению. Как минимум у зрительных имплантов есть ограничения в пространственном разрешении передаваемой сцены: оно определяется числом стимулирующих электродов, которые можно сравнить здесь с пикселями монитора. Чем больше электродов — тем больше пикселей может быть у передаваемой в мозг картинки.

Андрей Демчинский, к.м.н., руководитель медицинских проектов АНО «Лаборатория Сенсор-Тех», рассказал, какие задачи стоят сейчас перед коллективом компании:

«На сегодняшний день наука обладает достаточной информацией, чтобы создать безопасную и функционирующую технологию, но это только первые шаги. Первостепенная задача — дать ослепшему человеку такое бионическое зрение, которое смогло бы решить его главную проблему — вернуть себе независимость от окружающих, вернуться в социум. А вот тут как раз фактических знаний совсем немного, и пока мы используем всю мощь современных, доступных нам технологий, чтобы создавать новую технологию с «упреждением». Уже сейчас мы изучаем фосфены у людей, стимулируя зрительную кору неинвазивно, создаем VR-симуляторы для полного погружения здорового человека в мир бионического зрения, разрабатываем ИИ-алгоритмы для обработки видео и передачи на имплант только самой важной информации, идентификации объектов и т. д.».

В то же время зрительные образы, возникающие под воздействием стимуляции, могут обогащаться деталями уже непосредственно внутри мозга, в процессе оценки и анализа передаваемой имплантом информации. И то, как мозг будет воспринимать и интерпретировать различные паттерны стимуляции зрительных областей коры, — важная задача, которая стоит сейчас перед командой лаборатории «Сенсор-Тех». Параллельно компанией формируется платформа для реабилитации и обучения будущих пользователей сенсорных имплантов. Задачей такого обучения как раз и будет тренировка мозга интерпретировать сигналы от нового органа чувств.

Проявление разнообразия адаптационных механизмов и пластических ресурсов мозга — это то, с чем сталкивалась нейронаука с момента первых экспериментов, и это разнообразие столь велико, что будет постигаться еще много лет. Идея использования нейрокомпьютерных интерфейсов и возможности сенсорного протезирования в своей основе как раз опираются на способность нейронных сетей мозга перестраиваться и адаптироваться к новым условиям, способность к связыванию действия и результата, связыванию эффектов раздражителей разных модальностей (визуальных, акустических, тактильных, проприоцептивных) и формированию единого мультисенсорного образа.

Возможно, новый канал связи мозга с внешним миром посредством имплантированных в кору электродов станет для мозга таким же естественным и понятным, как управление рукой или ногой. Бессмысленные и отчасти случайные вспышки света, создаваемые при стимуляции зрительной коры, в процессе использования зрительного импланта начнут складываться в зрительные образы, интегрируясь с остальными чувствами. Результаты экспериментов и первый опыт пользователей подтверждают эти гипотезы.
В иллюстрации использовано изображение автора Waleed Elagamy (CCBY3.0) с сайта https://thenounproject.com/ и фото с сайта https://unsplash.com/
22.03.2024
Важное

Xbox анонсирует выход новых частей культовых игр Doom и Gears Of War на Summer Game Fest.

12.06.2024 13:00:00

Бразилия стала крупнейшим экспортным рынком для китайских электромобилей.

12.06.2024 09:00:00

В Южной Америке обнаружили самые крупные в мире доисторические наскальные указатели и предупреждающие знаки.

11.06.2024 17:00:00
Другие Статьи

Издатель Надия Эссалми популяризирует марокканскую культуру в детской литературе.

Должно ли государство вмешиваться в экономическую деятельность и почему этот вопрос вновь на повестке дня?

Американские технологические гиганты строят десятки дата-центров в Чили, несмотря на сопротивление местных жителей.

Скульптура в виде короны в детройтском парке следит за качеством воздуха.