Максим Руссо: Чудеса нейропротезирования

Максим Руссо Brain-to-computer interface

4–9 августа в Голицыно под Москвой проходила научная школа «Биотехнологии будущего 2013». Студенты, аспиранты и молодые ученые слушали лекции о последних достижениях современной биологии, участвовали в семинарах и работе бизнес-секции, в ходе которой на основе реальных недавних открытий надо было предложить продукт, который можно было бы выпустить на рынок. Школа была организована при поддержке Российской Венчурной компании.

Заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов биологического факультета МГУ, доктор биологических наук, профессор Александр Яковлевич Каплан прочитал участникам школы лекцию «Будущее нейропротезирования и реабилитации при помощи интерфейсов "мозг-машина"», краткий репортаж о которой предлагает читателям Pro Science.

Исследования мозга сейчас становятся всё более приоритетными. Если в конце 1950-х ведущие научно-техническом развитии державы вели «космическую гонку», то теперь всё новые участники стремятся включиться в соревнование по исследованиям в области нейронауки. В январе 2013 года Европейское сообщество выделило рекордный грант размером 1,5 милиарда евро на Human Brain Project, посвященный созданию максимально подробной анатомической карты мозга.

В 2013 году в Европе объявили о выделении 1,5 миллиардов евро, а в США - 3 миллиардов долларов на проекты по исследованию мозга.

Соединенные Штаты решили не отставать, и уже в феврале президент Обама в обращении к Конгрессу призвал выйти на новый уровень исследований мозга. В итоге 2 апреля было объявлено о начале масштабного проекта BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), целью которого станет создание карты функционирования мозга, где была бы описана активность каждого нейрона (BAM – Brain Activity Map). Затраты на проект составят более трех миллиардов долларов. Президент США обещал финансировать проект не скупясь. Говоря об этом, он напомнил, что каждый доллар вложенный в проект по расшифровке человеческого генома, уже принес 140 долларов прибыли.

Эти и другие исследовательские проекты принесут, как надеются их участники, весомые результаты. Но уже сейчас исследователи человеческого мозга могут похвастаться достижениями, которые заставляют вспомнить страницы фантастических романов. Этим достижениям и была посвящена основная часть лекции А. Я. Каплана.

Мозг человека отличается способностью удивительно гибко приспосабливаться к изменяющимся условиям. Ученые неоднократно проводили опыты с очками, переворачивающими изображение. Такие очки меняют местами верх и низ или же право и лево. Впервые этим занялся Джордж Стрэттон (Stratton) в Калифорнийском университете еще в 1897 году. Он ставил опыты на себе и выяснил, что на адаптацию требуется несколько дней. В 1952 году опыты продолжили Снайдер и Пронко. Они поручали испытуемому задание, состоящее в распределении карточке по соответствующим ящикам. Время выполнения задания фиксировалось. После того, как на испытуемого надели переворачивающие очки, необходимое время возросло примерно в шесть раз. Однако оно стало быстро снижаться и менее чем за десять дней достигло прежней отметки. Затем испытуемый, улучшая свой навык, начинал всё быстрее справляться с заданием. Когда очки сняли, результаты незначительно ухудшились, но быстро восстановились.

Имплантация матрицы в организм пациента

Если мозг справился с такими изменениями в получаемой от органов зрения информации, то, возможно, он научится обрабатывать и информацию другого рода. Это было проверено в ходе исследования тюбингенских ученых, которые попытались помочь больным с наследственной дистрофией сетчатки. У этих людей перестают работать светочувствительные клетки: те самые колбочки и палочки, и в результате человек слепнет. Ученые решили стимулировать электричеством клетки предыдущего слоя сетчатки, которые обычно не дают нервных импульсов в ответ на свет. Трем добровольцам на заднюю поверхность глаза имплантировали матрицу из стимулирующих электродов, соединенную объективом. В результате люди смогли видеть: они научились отличать контуры предметов на столе, различать геометрические узоры и крупные буквы, даже пройти по комнате.

Mind Chair

Но если мы стимулируем нервные клетки глаза, почему бы не попробовать стимулировать и другие нервные клетки и заставить их передавать в мозг зрительную информацию. Действительно возможно и такое. В 1960-х годах нейробиолог Пол Бач-и-Рита (Paul Bach-y-Rita) с коллегами придумал устройство Mind chair, в котором зрительные образы передавались на матрицу из стерженьков на спинке стула. Человек начинал различать предъявляемые ему визуальные стимулы спиной.

В технологии Brainport Vision импульсы от светодиодов подаются на матрицу, расположенную на языке человека. Слепые сравнительно быстро учились воспринимать ощущение покалывания на языке как зрительную картину перед собой. Используя прибор, они могут, например, читать, играть в снежки и даже заниматься скалолазанием. Данная технология уже шагнула за пределы лабораторий, прибор можно купить.

Другая группа исследователей предложила сделать светочувствительными биполярные нервные клетки сетчатки. Для этого воспользовались методами молекулярной биологии – встроили в геном клетки ген, синтезирующий каналродопсин-2 – белок водорослей, формирующий у нейронов светочувствительны ионный канал, после чего клетка начинает реагировать на возбуждение светом. За эти исследования в 2011 году Карл Дайссерот (Karl Deisseroth), Эдвард Бойден (Edward Boyden) и Фэн Чжан (Feng Zhang) получили Perl Prize – престижную премию в области нейробиологии. Теперь такие методы известны под названием оптогенетика.

Ген каналродопсина делает светочувствительными сразу тысячи клеток.

В статье Шейлы Ниренберг (Sheila Nirenberg) и Четана Пандарината (Chethan Pandarinath), опубликованной год назад, описывался эксперимент, в ходе которого мышам с поврежденной сетчаткой вернули зрение, применив достижения оптогенетики. Светочувствительный элемент протеза передавал импульсы внутрь глаза, а биполярные клетки, в которых был белок каналродопсин, возбуждались и передавали зрительные импульсы в мозг. Этот метод выгодно отличается от других способов протезирования сетчатки тем, что дает куда более высокое разрешение, ведь вирус, с помощью которого в клетки вносится ген каналродопсина, делает светочувствительными сразу тысячи клеток.

Крыса быстро поняла, в чем дело, и вообще перестала двигать лапкой, желая пить, она только думала о движении и получала нужный результат.

Но чудеса нейропротезирования не исчерпываются устройствами, помогающими вернуть зрение. В 1999 году в журнале Nature Neuroscience появилась статья Джона Чэпина (John K. Chapin) и соавторов, описывающая интересный опыт с крысами. Живую крысу закрепляли в специальном станке, где она могла двигать только одной лапкой. Чтобы попить, крыса должна была нажать лапкой на рычаг, который пододвигал к ней поилку. Ученые регистрировали возбуждения нейронов в мозге крысы с целью найти ту последовательность возбуждения отдельных клеток, которая соответствует намеренью крысы двинуть лапкой. Наконец, исследователям удалось достичь результата. Для проверки, они отсоединили поилку от рычага и присоединили к электродам, фиксирующим нейронные возбуждения в мозге крысы. Животное намеревалось двинуть лапкой – поилка двигалась. Крыса быстро поняла, в чем дело, и вообще перестала двигать лапкой, желая пить, она только думала о движении и получала нужный результат.

За этим интересным опытом последовали другие. Исследователи постепенно составляют библиотеку специфических моделей активации нейронов мозга, соответствующих различным движениям. В результате у парализованных людей появилось возможность силой мысли управлять различными манипуляторами и устройствами.

Одним из лидеров исследований по созданию интерфейсов «мозг-машина» стал бразильский ученый Мигель Николелис (Miguel Angelo Laporta Nicolelis), он был соавтором Джона Чэпина в исследовании 1999 года с крысами. В лаборатории Николелиса обезьяны, например, мысленно управляют рукой-манипулятором, которая дает им кусочки банана. При этом обезьяна не забывает использовать и свои собственные руки с той же целью. Николелис уверен: «Можно использовать искусственные манипуляционные дополнения без потери функциональности натуральных конечностей».

Уже были сделаны первые попытки использовать такие технологии для реабилитации парализованных людей. В мае 2012 года Джон Донахью (John P. Donaghue) сумел научить парализованную женщину пользоваться рукой-манипулятором. Еще более впечатляющих результатов достигли к концу 2012 года Эндрю Шварц (Andrew Schwartz) и его коллеги из Питтсбургского университета. Их пациентка, которая была более девяти лет полностью парализована ниже шеи, с помощью вживленного в мозг имплантанта управляет механической рукой уже с достаточной легкостью и не затрачивает на это больших ресурсов внимание. Например, она может одновременно разговаривать и брать манипулятором предмет.

Развитие нейротехнологий открывает перед человеком еще более захватывающие перспективы. Последнее исследование, опубликованное Мигелем Николелисом и его коллегами в феврале этого года, рассказывает об опыте по соединению мозга двух крыс. Крысы находились в разных клетках, одинаковых внутри, при этом одну крысу обучали находить еду в одной из имеющихся кормушек, а вторую нет. Но необученная крыса получала эту информацию от обученной. Одна из клеток при том находилась в США, а вторая – в Бразилии, так что крысы общались через интернет.

В свете последних достижений нейронауки, описанных в лекции А. Я. Каплана, уже не кажется фантастикой обещание Мигеля Николелиса, что на открытии чемпионата мира по футболу в Рио-де-Жанейро на поле выйдет парализованный юноша в экзоскелете, которым он будет управлять при помощи вживленного в мозг имплантанта, и введет мяч в игру.

Смотрите также: Сканирование мозга позволит оцифровывать и воспроизводить человеческие сны Помощь при составлении карт функций мозга окажет изучение его травматических поражений у ветеранов Управление техникой с помощью силы мысли: беспроводные имплантаты Нейрокогнитивистика, психобиология и новые способы изучения мозга Константин Лахман Модель мозга SPAUN: связывая сложную архитектуру со сложным поведением Стиратели памяти могут стать реальностью