С чипом в голове

Как работают нейроинтерфейсы и что они могут дать людям в будущем

Технология нейроинтерфейса насчитывает не одно десятилетие, однако в последние пару лет разработка таких устройств значительно ускорилась, а первые импланты уже выходят на рынок. В мае 2023 года стартап Илона Маска Neuralink, который разрабатывает инновационные мозговые импланты, получил от Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США разрешение на испытания технологии на людях. Уже в ноябре Маск объявил о наборе первых добровольцев. Однако это далеко не единственный стартап, который занимается подобными разработками. Рассказываем, что такое нейроинтерфейс, как работает технология и какие стартапы есть в этой сфере.

Что такое нейроинтерфейс

Интерфейс мозг-компьютер или нейроинтерфейс (brain-computer interface, BCI) — это технология, которая позволяет человеку обмениваться информацией с внешними устройствами и управлять ими, посылая сигналы прямо из мозга.

Термин ввел профессор Университета Калифорнии Жак Видаль, который еще в 1977 году организовал первый эксперимент с нейроинтерфейсами. Участники эксперимента управляли курсором на экране компьютера. При этом к их головам крепились датчики, которые анализировали активность мозга при фокусировке взгляда с помощью электроэнцефалографии.

Следующим важным этапом в развитии BCI стало вживление импланта в мозг. Такую операцию в 1998 году провел невролог Филипп Кеннеди. Он вживил нейроинтерфейс в мозг парализованного художника и музыканта Джонни Рэя. Спустя несколько месяцев Рэй, мысленно представляя движение собственных рук, научился управлять курсором на экране компьютера.

В 1999 году был сделан еще один важный шаг — ученые впервые смогли визуализировать сигналы мозга. Группа исследователей под руководством Яна Дэна из Университета Калифорнии смогла расшифровать сигналы зрительной системы кошки и воспроизвести изображения, которые воспринимал ее мозг.

Как работает технология

При формировании мыслей в мозге происходят специфические химические реакции, активирующие нейроны. Активация выражается в виде электрических сигналов: именно эти сигналы нужно уловить, чтобы «расшифровать» происходящее. Обычно исследователи используют электроэнцефалограмму — метод, который заключается в размещении электродов в определенных зонах на поверхности головы. Эти электроды улавливают импульсы и передают их на компьютер. На бумаге импульсы выглядят как волны разной частоты и амплитуды. Их анализирует программное обеспечение BCI: оно использует алгоритмы, заранее обученные распознавать показания электроэнцефалограммы, которые связаны с определенными эмоциями и действиями. Алгоритмы помечают эти данные соответствующими командами для управления компьютером, и нейроинтерфейс выполняет эти команды.

BCI бывают однонаправленными и двунаправленными. Первый тип может либо только принимать сигналы от мозга, либо только посылать их. Второй тип — более продвинутый, он позволяет мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях. При этом

нейроинтерфейс может считывать не только показатели ЭЭГ, но и другие: реакцию кожи на внешние раздражители, а также сердечный ритм.

Кроме того, нейрокомпьютерные интерфейсы делятся на инвазивные и неинвазивные. Первый тип требует вживления электродов в мозг, а второй регистрирует активность нейронов с помощью внешних устройств.

Перед тем как испытать BCI, пациенты проходят процесс обучения, чтобы научиться мысленно генерировать сигналы, которые будет распознавать нейроинтерфейс.

Кто и какие нейроинтерфейсы разрабатывает

Современный рынок BCI относительно невелик — его стоимость не превышает $1,64 млрд. Однако, по оценкам аналитиков, уже к 2032 году отрасль нейроинтерфейсов может вырасти до $3,26 млрд. Основными двигателями технологии станут потребности восстановительной медицины, развитие приложений виртуальной реальности и умного дома. На рынке уже довольно много интересных стартапов, которые делают первые шаги к широкому внедрению технологии.

Так, шведская компания Flow Neuroscience предлагает метод лечения депрессии с помощью нейроинтерфейсов в виде гарнитур, стимулирующих переднюю часть мозга. Она уже продает свои устройства всем желающим в Европе, где она получила одобрение регулирующих органов в 2019 году. Теперь компания добивается одобрения Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, чтобы поставлять свои гарнитуры на местный рынок.

А американский стартап NeuroPlus разработал нейроинтерфейсы для тренировки мозга, которые призваны помочь людям с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) улучшить способность концентрироваться. Терапия происходит в игровом формате. Гарнитура считывает волны мозга, чтобы определить, сосредоточен ли человек. Если пользователь отвлекается, то в игре появляется больше задач, которые требуют сосредоточенности. Стартап продавал устройства вместе с подпиской на игровое приложение, а всего он получил около 80 тысяч заказов.

Synchron: SMS и шоппинг силой мысли

Стартап Synchron основал австрийский невролог Том Оксли. Он разработал нейрочип Synchron Switch (синхронный переключатель) — устройство, которое имплантируется в мозг человека и позволяет контролировать нейронную активность. Чип выглядит как цилиндрическая полая проволочная сетка. Чтобы имплантировать устройство, нужно сделать небольшой разрез на шее и с помощью катетера ввести его через яремную вену в кровеносный сосуд в головном мозге. Затем чип проводом соединяют с вычислительным устройством, вживленным в грудную клетку. Для этого хирург проделывает в грудине туннель и карман под кожей, похожий на карман для кардиостимулятора.

Нейроимплант считывает сигналы мозга и отправляет их в специальное приложение на компьютере или смартфоне по Bluetooth.

Synchron Switch можно использовать для мысленного управления различными устройствами, такими как компьютеры, протезы или медицинские гаджеты.

В августе 2020 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США назвало Synchron Switch «Прорывным устройством», а еще через год выдало разрешение на его испытание на людях. В 2022 году чипы вживили четырем пациентам в Австралии. В США в 2023 году нейрочип уже имплантировали первым шести пациентам, в том числе с боковым амиотрофическим склерозом (БАС).

Первые научные обзоры испытаний начала 2023 года подтверждают, что технология остается безопасной и не теряет качества при использовании в течение года. Поскольку технология уже прошла несколько стадий клинических испытаний, разработчики планируют выпустить ее на рынок в ближайшее время.

Пока Synchron Switch не может переводить целые предложения пациента, а преобразует в команды отдельные его слова. Однако исследователи считают, что технология позволит улучшить жизнь людей с тяжелыми формами инвалидности: например, тем, кто перенес инсульт, травмы спинного мозга, либо страдает рассеянным склерозом. В Synchron также отмечают, что функционал нейроинтерфейса будет широким: помимо отправки текстовых сообщений, чип позволит делать онлайн-покупки, отслеживать показатели здоровья и многое другое. Потенциально Synchron Switch можно будет использовать в игровой индустрии, чтобы предоставить геймерам более точное управление аватарами в виртуальных мирах.

Hodak Science: бионический глаз

Стартап основал бывший президент Neuralink Макс Ходак в 2022 году. Компания разрабатывает интерфейс мозг-компьютер, который будет работать с использованием фотоники — светового воздействия на мозг через зрительный нерв глаза.

Стартап планирует создавать различные продукты, которые позволят улучшить работу мозга. Hodak Science уже представил бионический протез Science Eye, который позволит пациентам избавиться от пигментного ретинита и дегенерации желтого пятна — заболеваний, ухудшающих периферическое и центральное зрение; они развиваются из-за деградации фоторецепторов. Имплант призван возбуждать эти рецепторы и передавать в мозг зрительные сигналы. Science Eye представляет собой электронный блок с процессором и блоком питания, который вживляется под веко на верхнюю часть глазного яблока, а также экран microLED, который заводится внутрь глаза и устанавливается в его сетчатке.

Для функционирования устройства необходимо, чтобы клетки зрительного нерва были светочувствительными. Этого можно добиться с помощью инъекций искусственного белка, который изменяет клетки.

Кроме того, пациенту потребуется носить специальные очки с датчиками, которые будут передавать визуальную информацию на имплант. Технологию пока протестировали только на кроликах, но стартап намерен начать испытания на людях в ближайшие пару лет.

Кроме того, в Hodak Science хотят создать новый тип мозговой операционной системы, которая могла бы проецировать пошаговые инструкции на глазное яблоко или создавать более захватывающие видеоигры.

Precision Neuroscience: съемный имплант

Стартап основан в 2021 году соучредителем Neuralink Беном Рапопортом. Precision Neuroscience разрабатывает полуинвазивный имплант Cortical Interface Layer 7. Его особенность в том, что устройство можно легко извлечь из мозга, чтобы заменить на новое, а само оно способно собирать в сотни раз больше данных о мозговой активности, чем существующие аналоги. Имплант представляет собой пленку тоньше человеческого волоса с 1024 микроэлектродами. Ее длина не превышает 1,5 см. Имплант устанавливается на поверхность мозга без повреждения тканей через небольшой надрез.

В июне 2023 года Precision провел клиническое исследование импланта на людях, и его признали успешным. В ходе испытания Cortical Interface Layer 7 позволил визуализировать мысли человека, причем в реальном времени и с высоким разрешением. Стартап надеется получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США на более широкое тестирование нейроинтерфейса в 2024 году. Пока же регулятор признал Cortical Interface Layer 7 «прорывным устройством».

Миссия Precision Neuroscience — создать для лечения неврологических заболеваний действительно массовые нейроинтерфейсы, которые смогут использовать даже небольшие клиники. Стартап заявляет, что в будущем технология позволит пациентам с тяжелыми дегенеративными заболеваниями, такими как БАС, общаться с близкими, перемещая курсоры или печатая текст.