Управление силой мысли

Много лет врачи и учёные бьются над созданием идеального протеза, который мог бы обеспечить человеку, потерявшему из-за несчастного случая или болезни конечность, зрение или слух, комфортное существование и возможности, не уступающие здоровым людям. Задачи не просто продления жизни, но роста ее качества, делают єту проблему все более актуальной.

В последнее время учёные добились серьезных успехов как в разработке сложных механических протезов, так и в восстановлении и перенаправлении нервных связей на парализованную конечность или механический аппарат.

Нейрофизиологи из университетов Стэнфорда и Брауна, ведут активные разработки системы BrainGate, первого интерфейса мозг-компьютера (brain-computer interface). Миниатюрный чип размером несколько миллиметров имплантируется в двигательную зону коры головного мозга. Там он с помощью 100 электродов измеряет электрическую активность нейронов и посылает информацию на компьютер, который обрабатывает полученную информацию и принимает соответствующие действия. Разработки и испытания BrainGate ведутся с 2004 года, и технология уже достаточно зрелая, чтобы быть использованной на людях. 16 мая 2012 года исследователи представили общественности видео, демонстрирующее, как полностью парализованная женщина силой мысли — с помощью BrainGate — управляет механической рукой, чтобы взять и поднести к себе контейнер с жидкостью. Разумеется, BrainGate не читает мысли. Управление механической рукой достигается с помощью калибровки программного обеспечения.

Прежде чем начать пользоваться рукой, пациенту необходимо «натренировать» программу, чтобы она распознавала поступающие от мозга на чип сигналы.

Человек напряженно представляет себе, как он двигает руку вверх, и система запоминает, какая комбинация стимулов отвечает за это действие.

Первый успешный опыт применения BrainGate на человеке состоялся уже в 2006 году — тогда дело ограничилось управлением компьютерной мышью. Управление же механической рукой — гораздо более сложные процесс, так как она перемещается не на плоскости, а в пространстве, у руки есть плечевой и локтевой шарнир, а так же самая сложная часть — ладонь, которая должна уметь выполнять самую тонкую работу. Создать чип, который смог бы распознавать команды такой сложности, пока не представляется возможным, поэтому часть функций на себя берёт система. BrainGate не только распознает сигналы от мозга и передает их на механический манипулятор, но и позволяет автоматически схватывать объект, попавший в рабочую зону ладони, а также переходить в безопасный режим и останавливаться, если рука наталкивается на препятствие.

Brain-computer interface может применяться не только для управления механическими устройствами, но и для того, чтобы напрямую восстановить связь мозга с парализованной конечностью. Большинство случаев паралича связано с повреждениями спинного мозга — сигнал от нейронов головного мозга просто не доходит до нужных мышц. В Северо-Западном университете Чикаго нашли способ обойти спинной мозг и восстановить двигательную активность в парализованной конечности у макаки-резуса (над ними проводится значительная часть медицинских опытов, из-за схожести в анатомии с человеком). Используя похожую на BrainGate технологию, учёные имплантировали в мозг обезьяне несколько микрочипов, которые считывают нервные импульсы, передают их на компьютер, которых их расшифровывает и в свою очередь посылает электрический импульс непосредственно в лишенную связи с мозгом мышцу.

Это позволяет добиться поразительной для такой новой разработки точности движений:

тестируемая обезьяна может брать «парализованной» лапой мячик, опускать его в узкое отверстие и нажимать на кнопку.

Пока BrainGate требует довольно большого «адаптера», подключенного прямо к голове пользователя. В будущем разработчики надеются миниатюризировать систему и сделать её беспроводной. Требуются еще годы медицинских испытаний и инженерной работы, прежде чем BrainGate и, тем более, разработка чикагских учёных станет массово доступным, но потенциал такого рода систем огромен. Они позволят увеличить мобильность и качество жизни не только людей, потерявших конечности и требующих сложного протеза, но и людей с самыми сложными случая паралича, лишенных возможности двигать какими бы то ни было мускулами. BrainGate способен помочь даже в сложнейших случаях — известно, что даже после десятилетий, проведенных в состоянии паралича, мозг сохраняет активность в своих двигательных центрах.

Ещё одна группа учёных из Стэнфордского университета занимается исследованиями возможности протезирования одного из самых сложных человеческих органов — глаза. Разумеется, пока это не полностью искусственный глаз, но он может помочь вновь видеть людям с болезнями сетчатки, и, возможно, даже слепым от рождения.

Протез представляет из себя особый силиконовый микрочип, который вживляется непосредственно в сетчатку глаза. У здорового человека сетчатка глаза реагирует на свет и преобразует его в электрический импульс, который уже расшифровывается мозгом.

В случае с новой технологией, электрический импульс генерируется вживленным микрочипом. Он сверхтонкий и беспроводной, и работает по похожему на солнечную батарею принципу: когда на него попадает свет, он создает электрический импульс. Поскольку чип чрезвычайно мал, он реагирует только на инфракрасный спектр. Чтобы обойти эту проблему, будут используются специальные очки с камерой, которые будут преобразовывать обычное изображение в инфракрасное. Хотя специальные очки казалось бы усложняют конструкцию, на деле это избавит человека от болезненных операций и позволит сохранить подвижность глаза. Разумеется, технология пока не проверялась на человеке, но эксперименты на мышах дали положительные результаты.

Этот протез опирается на стимуляцию существующей сетчатки глаза, но сейчас проводятся исследования, целью которых служит разгадать, каким образом кодируется информация, поступающая в мозг. Обычные интерфейсы мозг-компьютер регистрируют импульсы мозга, создаваемые при определенных действиях. Исследователь из университета Корнелла Шейла Ниренберг пытается разработать систему, которая будет кодировать электрические импульсы так, чтобы их «понимал» мозг. Имплантируя электроды в оптический нерв животных, она регистрировала, какие сигналы посылает глаз при виде тех или иных изображений.

После многочисленных опытов, Ниренберг смогла разработать кодировщик, который может посылать непосредственно на глазной нерв импульс, который животное воспринимает как изображение.

Как и в случае с другими современными разработками, потребуются длительные испытания на животных, а затем в клинических условиях, прежде чем технологию смогут применять на людях. Однако Ниренберг уверена, что в будущем её кодировщик можно будет использовать не только для визуальных импульсов, но и для передачи тактильной, звуковой и обонятельной информации.

Сейчас достигнуты серьезные успехи в создании механических протезов, запрограммированных реагировать на электрические импульсы в здоровых мышцах, например, протез кисти может быть «подключен» к плечевым мышцам. Эти технологии постоянно совершенствуются и уже сейчас приносят реальные плоды, поэтому необходимо работать над их совершенствованием и доступностью. Но будущее именно за интерфейсами мозг-машина, и хотя должно пройти еще немало времени, прежде чем имплантанты, расшифровывающие сигналы мозга, станут действительно эффективными, вполне вероятно, что именно они совершат революцию в протезировании.