Одно из важнейших событий осени 2019 года в биологии и медицине – демонстрация принципиальной возможности для парализованного человека контролировать движение частей своего тела силой мысли

Звучит как сюжет фантастического романа, но если слегка переформулировать новость и уточнить, что сила мысли реализуется через имплантат-интерфейс для связи мозга с компьютером, она приобретает вполне реалистические очертания.

Амбициозные планы Илона Маска

В сентябре 2019 года выдающийся американский изобретатель, инженер и предприниматель Илон Маск на большой презентации в Калифорнии продемонстрировал прототип нейроинтерфейса, над которым работает созданная им компания Neuralink.

Казалось бы, сама по себе идея не только не нова, но и уже частично воплощена.

Несколько лет назад мы писали о разработке исследователей Питтсбургского университета (Пенсильвания, США), которые смогли «обучить» руку-робот брать объект по команде мозга пациентки, практически полностью парализованной в результате тяжелой травмы позвоночника.

Чип, вживленный в мозг женщины, посылал сигнал на компьютерное устройство, исследователи выделили паттерны, соответствующие желанию взять предмет, а затем транслировали их в команды для руки-робота.

Им удалось добиться того, что по желанию пациентки кисть принимает форму ковша, щепотки, поднимает большой палец, а вся рука-робот имеет 10 степеней свободы движения.

С помощью нее парализованная от шеи и ниже женщина могла, например, взять небольшую бутылочку, поднести ее к губам и через соломинку тянуть напиток.

Маск, однако, продемонстрировал инновационный нейроинтерфейс. Вместо традиционного квадратного чипа устройство представляет собой 96 гибких нитей, объединяющих 3072 электрода, для имплантации которых используется специально разработанный робот, способный вставлять в нервную ткань по три нити в минуту.

На данном этапе интерфейс может передавать данные только через проводное соединение USB-C, но в конечном итоге система сможет работать без проводов.

Главная задача разработчиков – сделать интерфейс легким для имплантации и простым в использовании, минимизировать возможность последующих осложнений, одновременно увеличивая количество каналов для поступающих сигналов. Это, в свою очередь, сделает его максимально чувствительным и эффективным.

Экзоскелет для Тибо

Модель импланта. Фото с сайта bbc.com

Пока компания Neuralink работает над амбициозным планом своего основателя, ученые других научных центров демонстрируют вполне конкретные достижения, пусть и с менее изощренными нейроинтерфейсами.

В октябрьском номере медицинского журнала Lancet было опубликовано исследование, о котором сразу же написали все популярные мировые СМИ.

Ученые французского биотехнологического центра Clinatec и Университета Гренобля имплантировали два датчика на сенсомоторные области мозга молодого мужчины, у которого полностью парализованы руки и ноги после тяжелой травмы позвоночника.

Шестьдесят четыре электрода в каждом из датчиков считывают команды мозга. (Вспомним, что устройство Маска будет состоять из 3072!). Затем они передают их компьютеру, который при помощи чрезвычайно изощренного программного обеспечения перекодирует их в команды для экзоскелета.

Тридцатилетний Тибо (фамилию он не афиширует) после тяжелой травмы позвоночника два года провел в неподвижности, и когда при помощи экзоскелета ему удалось пройти 145 метров, ощущение успеха было грандиозным.

«Это как быть первым человеком на Луне», – признается Тибо.

Чтобы сделать шаг, первый оператор нового экзоскелета должен подумать об этом, и его мысль при помощи датчиков приводит в действие всю систему, которая двигается вместе с его ногами.

Несколько сложнее дело обстоит с руками. Здесь речь идет не просто об однонаправленном движении, а о тонкой моторике, и пока что Тибо может контролировать действие своих рук в ограниченном диапазоне. В 71% случаев мужчина смог двигать разными частями руки и вращать кистями, чтобы дотронуться до различных поверхностей, и это уже большое достижение.

Впрочем, и пациент, и разработчики пока что празднуют промежуточную победу. Первый шаг в нужном направлении удался, констатируют они, но впереди предстоит большая работа.

Как сказал президент исполнительного совета Clinatec Алим-Луи Бенабид, экзоскелет не обеспечивает быстрых и точных движений, позволяющих не падать. Он весит 65 килограмм, и чтобы устоять, Тибо был прикреплен к потолочному ремню.

Но самое главное ограничение – это тот объем информации, который компьютеру приходится обрабатывать при поступлении из мозга и передавать в экзоскелет в режиме реального времени.

Для того, чтобы система была управляемой, переход от мозгового сигнала к движению конечности не должен превышать 350 миллисекунд, поэтому разработчикам приходится использовать нейроинтерфейс не в полную меру. Обработать всю информацию, поставляемую 64 электродами с каждого датчика, не получается: пока что с каждой стороны включены только 32.

Исследователи надеются в будущем преодолеть это ограничение и усовершенствовать функционирование экзоскелета. Планируется использовать систему управления пальцами, чтобы Тибо смог поднимать и перемещать предметы.

Две руки одновременно

Еще одна октябрьская работа того же направления не получила широкого внимания средств массовой информации, хотя в чем-то ее авторы, американские исследователи, превзошли достижения французских коллег. Возможно, дело в том, что университет Джона Хопкинса сообщил о ней на своем сайте, но официальной публикации результатов исследования пока что не было.

Модулярная простетическая конечность (The Modular Prosthetic Limb, MPL) – так назвали свою разработку научные сотрудники Лаборатории прикладной физики университета. Она представляет собой роботическую руку, примерно как в Принстонском эксперименте, но есть некоторые особенности, делающие ее уникальной.

Ученые снабдили ее сенсорами, посылающими обратный тактильный сигнал в мозг парализованного или утратившего конечность пациента, чтобы он мог оценивать и регулировать движения рук и пальцев.

В январе 2019 года доктор Стэн Андерсен и его коллеги использовали эту технологию для База Шмилевского, который парализован от плечей и ниже, однако в плечах и кистях сохранилась очень слабая остаточная чувствительность и минимальная способность к движению.

В кору мозга Шмилевского имплантировали двусторонние датчики с 96 электродами, предварительно изучив, какие именно участки коры контролируют движение и какие получают и обрабатываю осязательные сигналы от пальцев рук.

Впервые пациент оказался способен силой мысли управлять обеими роботическими руками одновременно и координировать их движения.

Почему это так важно?

«Все, что человеку нужно делать, чтобы не нуждаться в помощи других – завязывать шнурки, ловить и швырять мяч, выдавливать пасту на зубную щетку – требует координированного движения двух рук», – говорит доктор Брок Уестер, биомедицинский инженер и ведущий исследователь лаборатории.

Разрабатывая такую технологию, ученые стремятся дать возможность парализованным пациентам достичь определенной степени свободы не только в быту, но и в профессиональной деятельности.

Но это не единственный прорыв исследования.

«Наша команда впервые смогла продемонстрировать способность человека “чувствовать” стимуляцию обеих сторон мозга одновременно.

Мы показали, как физическое прикосновение пальцев руки-робота к предметам стимулирует зоны правой и левой рук в мозге пациента», – говорит доктор Мэтью Файфер, технический руководитель проекта.

Ученым предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем нейроинтерфейсы станут обычной медицинской практикой. Но, пользуясь метафорой Тибо, можно уверенно сказать, что высадка на Луну произошла и первые шаги по ее поверхности уже сделаны.

Источники:

Mind-reading Exoskeleton allows Paralyzed Man to Walk

A man has been able to move all four of his paralysed limbs with a mind-controlled exoskeleton suit, French researchers report

Proof-Of-Concept Experiments: Electrical Brain Implants Enable Man to Control Prosthetic Limbs With ‘Thoughts’

In a First, Patient Controls Two Prosthetic Arms with His Thoughts