Яна Войцеховская: Для мозга сделали протезы

Группа ученых под руководством Джона Донохью (John Donoghue) из Университета Брауна в Род Айленде (Brown University in Rhode Island) впервые имплантировала нейропротез в кору головного мозга человека.

Им оказался парализованный больной Мэтт Негл (Matt Nagle) доброволец, согласившийся участвовать в проводимом тесте. Нейропротез содержал 96 электродов, вставленных в моторную зону коры головного мозга Негла. Другим концом протез был подключен к компьютеру. Оказалось, что Мэтт Негл мог двигать курсором компьютера, а также пользоваться электронной почтой или переключателем телевизионных программ только с помощью мысли.

Прежде подобные эксперименты проводились на головном мозге обезьян и крыс. В середине девяностых годов под руководством Джона Чейпина (John Chapin) из Государственного университета Нью-Йорка (State University of New York) была проведена серия экспериментов, в ходе которых удалось научить крысу мысленно управлять простым механизмом. Сначала крысу приучили нажимать передними лапками на педаль, соединенную с рычагом. Когда крыса нажимала на педаль, рычаг опускался, и в поилку наливалась вода. К мозгу крысы были подключены электроды. Каждый раз, когда крыса нажимала на педаль, электрические сигналы от ее мозга поступали по электродам к специальному прибору (так называемому интегратору), который обрабатывал эти данные и преобразовывал их в аналоговый сигнал, позволяющий моделировать траекторию движения конечностей крысы.

На определенном этапе эксперимента исследователи отсоединили рычаг от педали и подключили его к интегратору. Теперь, когда крыса нажимала на педаль, рычаг оставался недвижим. Но когда крыса, «представляла себе», что она нажимает лапками на педаль, рычаг опускался, и вода наливалась в поилку. В этом случае такой же набор нервных импульсов, как и при нажатии, поступал в интегратор, который двигал рычаг. Со временем крыса стала понимать, что она уже может не нажимать на педаль, а только «думать» об этом - и в поилке появится вода.

В аналогичных опытах с обезьянами была сделана попытка воспроизвести более сложные трехмерные движения конечности обезьяны с помощью роботизированной руки. Группа исследователей под руководством Ли Миллера (Lee Miller) из Северо-Западного Университета Чикаго (North-western University in Chicago) изучала связь между движениями обезьян и активностью коры головного мозга. В результате был обнаружен набор электрических сигналов, с помощью которых обезьяна могла двигать виртуальной рукой на экране компьютера только с помощью мыслей. В другом случае, в опытах под руководством Джона Чейпина, был найден способ стимуляции коры головного мозга, при котором достигалась имитация тактильного чувства на руке обезьяны. В этом случае одна рука обезьяны фиксировалась, а другой рукой она могла показать то место, где ее «потрогали».

Цель подобных опытов – создать нейропротезы, которые позволят человеку с травмированной или больной рукой управлять механическим протезом. Возможность управлять курсором «мыши» в компьютере – это только первый шаг. Возможность взять механической рукой чашку кофе со стола – задача, которая ждет своего разрешения в будущем. Для достижения этой цели нейропротез должен быть интерактивным, то есть он должен получать и посылать в головной мозг сигналы, аналогичные тем, которые приходят от настоящей руки.

Одна из возможных идей состоит в том, чтобы поместить сенсоры в искусственную конечность. В этом случае появляются два важных вопроса. Первый состоит в том, куда должны подсоединяться «нервы» (провода) искусственной конечности? Это может быть как спинной мозг, так и кора головного мозга, а также таламус. Чем ближе к периферии нервной системы, тем лучше, считает Дуглас Вебер (Douglas Weber) из Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh). В коре головного мозга, где интегрируются все приходящие нервные сигналы, сложно получить чистый сигнал и соблюсти точность его попадания. 96% активности коры – это ее внутренняя активность, состоящая из обмена информацией ее различных частей. Следовательно, более простая задача – провести сигнал от искусственной конечности к соответствующей зоне спинного мозга.

Второй возникающий вопрос – сигнал какой природы можно посылать в нервную систему человека? Это должен быть сигнал, полностью имитирующий нервный импульс, или это может быть более далекий по своей природе электрический сигнал? Множество опытов и наблюдений говорят о том, что головной мозг может научиться правильно интерпретировать сигналы, весьма далекие от классических нервных импульсов. На этом принципе основаны современные разработки приборов видения для слепых. Особенно успешными в этом отношении оказались приборы для глухих людей – трансплантаты слуховой улитки. Прибор вживляется во внутреннее ухо и может взаимодействовать со слуховым нервом. Его сигналы имеют искусственную природу, далекую от нормальных нервных импульсов. Сначала человек с таким прибором может слышать только шум, но постепенно его мозг тренируется ассоциировать определенные шумы с соответствующими звуками. После небольшого периода обучения такой человек вполне может разговаривать с другими людьми.

Тем не менее, чем ближе искусственный сигнал к физиологическому, тем лучше и «физиологичнее» будет прибор и тем меньше времени и усилий будет тратиться человеком на его освоение. Практически никто из нейрофизиологов не сомневается в прогрессе подобных приборов в будущем. Как показывает практика применения первого поколения нейропротезов, прогресс – это вопрос нашего понимания работы нервной системы.