Полная версия
Целью написания этой книги была попытка осуществить систематизацию имеющихся знаний в этой области и введение в проблему нейроинженерии отечественных нейроученых и нейробиологов, врачей-специалистов, работающих в области неврологии, нейрохирургии, психиатрии, нейрофизиологии и лучевой нейродиагностики, а также предоставить объективную информацию для большинства инженеров-технарей и нейроученых, различных наших «продвинутых» читателей, интересующихся этой областью медицинской нейронауки, а также показать ее возможности и существующие реальные ограничения на современном этапе мирового научно-технического прогресса.
Основные определения этой науки мы дадим в первой главе этой книги, но во введении к ней хочется сказать, что во все времена начиная с середины ХХ в. и в начале третьего десятилетия ХХI в. все исследования и работы в области реставрации поврежденного мозга и нейроинженерии были преимущественно закрыты грифами «Для служебного пользования» или вообще были засекречены, т.к. всегда были «несвоевременными» и «неожиданными» для общества и государства. Считается, что эти исследования якобы всегда претендовали на новые способы биоуправления мозгом, методы регуляции сознания и воздействия на психику человека. В последние годы стали говорить о нейроинженерии как науке об управлении информацией в мозге! Это связано с тем, что уже давно известна аксиома: кто будет управлять информацией и сознанием человека, тот будет управлять миром! Поэтому, с одной стороны, эти продвинутые исследования с восхищением и надеждой воспринимались отдельными учеными, определенными научными школами и группами ученых и даже обывателями различных стран мира как надежда на будущее, но, с другой стороны, они жестко контролировались государственными органами власти и осуждались и критиковались государственными чиновниками от медицины, ведущими академическими нейроучеными (нейробиологами, неврологами и нейрохирургами) нашей страны и большинства зарубежных научных школ. В СССР все исследования в области биоуправления мозга, контроля сознания и паранормальных явлений, а также нейрореставрации контролировались КГБ СССР и были преимущественно закрытыми и засекреченными. Эти исследования также всегда были жестко ограничены «неформальными» рамками морально-этических аспектов этой проблемы и существующими государственными регламентами и ограничениями. Как правило, все разработки в этом направлении отслеживались и курировались специальными службами тех стран и государственных объединений, где проводились эти исследования. Спецслужбы наших зарубежных партнеров также внимательно отслеживают все работы ведущих мировых ученых, работающих в этом направлении. По-видимому, наличие подобного контроля и надзора со стороны государств за этим научным направлением мировой нейронауки – это очень правильное и необходимое обстоятельство для безопасного будущего всей человеческой цивилизации.
Нейроинженерия, даже при своем зарождении, всегда воспринималась учеными и обществом очень настороженно и с большим недоверием, как во времена, когда с целью реконструкции нервной ткани проводили трансплантации кусочков эмбриональной нервной ткани в мозг животных и человека (Полежаев, Александрова, 1986, 1993), так и до мирового признания этих нейроисследований как официально существующей нейроинженерной науки нейрореставрологии, лидеры которой в 2005 г. создали свою международную ассоциацию ученых и исследователей (International Association of NeuroRestavrology – IANR), проводят свои съезды, конференции и мировые конгрессы (Raisman et al., 2005; Honung et al., 2010, 2018). Нейроинженерия всегда опережала время и была вообще вне времени. Нейроинженерия всегда была нейронаукой из будущего, которым мы занимались в прошлом и в настоящее время. Однако, постоянно «грезя о будущем» с его невероятными возможностями для человечества и нашей цивилизации, нейроинженерия жила в настоящем и была всегда вынуждена подстраиваться, понимать и принимать реальность происходящего, а не только прогнозировать грядущие открытия и будущие великие перспективы!
Однажды, весной 2016 г., в г. Москве мы с нашими научными сотрудниками ехали в автомобиле по дороге на работу и прочитали на одном рекламном щите удивительный по емкости и глубине предлагаемой философии рекламный слоган «Создаем будущее сегодня». Мы тогда не очень поняли, о чем был этот рекламный щит, но он нас зацепил за живое и мы долго думали и обсуждали между собой то, что это словосочетание очень хорошо отражает суть того огромного этапа нашей предыдущей жизни (почти в 28 лет), когда мы пытались создавать инновационные технологии реставрации нервной ткани головного и спинного мозга человека и животных и наши результаты почти всегда опережали время и были несвоевременными и очень пугающими для коллег и ученых, да и для нас самих. Этот высокопарный рекламный слоган можно было бы взять эпиграфом ко всей этой многолетней нашей работе, т.к. он очень емко отражал смысл проводимых нами исследований и сущность задуманной нами книги, которую мы когда-нибудь собрались написать об этом периоде нашей жизни и выпустить в свет, но не в качестве личных мемуаров о нашей жизни, а в качестве научной монографии об этом направлении нейронауки и о своем понимании этого инновационного направления современной биомедицины.
Таким образом, наш личный опыт использования нейроинженерных подходов для реставрации поврежденной нервной ткани головного и спинного мозга составляет более 30 лет, и все эти годы нам очень хотелось поделиться своими знаниями и полученным опытом с читателями. Нам было нужно рассказать об истории и основных вехах становления этой новой медицинской нейронауки в России и за рубежом. К этому времени наша команда уже считала себя достаточно продвинутыми специалистами в области инноваций в неврологии, нейрохирургии, психиатрии и нейрорегенеративной медицине, т.к. уже почти 30 лет активно и, на наш взгляд, успешно занималась нейрореставрацией поврежденного мозга человека.
С 1991 г. основной научной базой отечественной нейроинженерии была созданная в ГУ НМИЦ трансплантологииНМИЦ ТиО Минздрава России Группа высоких медицинских технологий (руководитель проф. А. С. Брюховецкий), а с 2002 г. и последние 19 лет научно-исследовательским центром этих исследований стала небольшая частная московская неврологическая клиника «НейроВита», узко специализирующаяся на нейрореставрации поврежденной нервной ткани головного и спинного мозга у человека. Однако все эти годы мы постоянно задавали себе один и тот же вопрос: есть ли у нас морально-этические основания и право заниматься нейроинженерией человека и учить других людей клинической нейроинженерии? Ведь никто из специалистов нашей группы не имеет специального технического нейроинженерного образования, т.к. не заканчивал высшего учебного заведения по нейроинженерной специальности и не учился на специализированном факультете зарубежного медицинского университета на специалиста-нейроинженера. А ведь сегодня в ряде ведущих университетов США по этой специальности выпускают профессионалов и специалистов. Сегодня этих высокообразованных специалистов как горячие пирожки разбирают лучшие нейроинженерные центры и университеты мира. И это действительно так!
Все специалисты нашей отечественной нейроинженерной группы пришли в эту специальность из разных медицинских и технических специальностей: врачи-неврологи и психиатры, нейрохирурги, нейрофизиологи, инженеры-программисты, математики, нейроматематики, биологи, биофизики. Но мы пришли в нее стихийно, точнее мы ее сами создавали, как могли и как понимали. Однако несмотря ни на что наша группа уже более 30 лет занимается этой нейронаукой. Мы не считаем себя ведущими специалистами в мире в этой инновационной области медицины и даже никогда не называем себя громким словом «нейроинженеры». При этом за это время наша научная группа выпустила в свет 200 научных статей и 12 научных монографий по специфичной тематике реставрации и реконструкции головного и спинного мозга человека у почти 17 тыс. пациентов из 50 стран мира с органическим поражением центральной нервной системы (ЦНС). В декабре 2018 г. вышло в свет наше двухтомное руководство для врачей «Стволовые клетки и технологии регенеративной медицины в лечении нервных болезней». Нашей командой было написано более двух десятков патентов на изобретение РФ в области нейроинженерии (нейротрансплантации, тканевой инженерии мозга, малоинвазивной биоинженерии мозга, ремоделирования сосудов головного мозга и т.д.) и даже были получены патент США на нейропротезную систему для тканевой инженерии мозга и патент РФ на технологию дистанционной мультиволновой радионейроинженерии. Наши специалисты кооперируются с учеными всего мира, активно занимающимися клинической нейроинженерией. Они участвовали и до настоящего времени продолжают участвовать в изучении проблемы взаимодействия «мозг – компьютер» (нейроинтерфейса), применении гиперзвука в реставрации поврежденного головного мозга и т. д.
Нашими партнерами по разработке проблем нейроинженерии многие годы были математики, физики, радиоинженеры, молекулярные и клеточные биологи и биохимики. Мы долгое время работали с группой инженеров-программистов Вычислительного центра Главного штаба Военно-морского флота России под руководством капитана I ранга, к.т. н. Д.Г. Иконникова; Центра нейрокомпьютерных исследований, руководимого профессором математики д.ф.-м. н. А.И. Галушкиным. Однако при всем этом специалисты нашей группы чувствовали себя не очень уверенно, произнося термин «нейроинженерия», и даже определенно комплексовали по этому поводу. Ведь когда об инженерии пытается говорить врач-невролог, или врач-психиатр, или вообще биолог, то это воспринимается с большой долей настороженности и сомнения. Где инженерия, а где эти гуманитарии? Но еще больше сомнений возникает тогда, когда о нейроинженерии говорит нейрохирург. В его устах это тоже не очень похоже на традиционную инженерную дисциплину, а больше на реконструктивную микрохирургическую операцию на мозге. Когда о нейроинженерии говорит математик-программист, то все понимают это как элементы рекламы или как пазлы по созданию нового нейрокомпьютера или нейросетевых алгоритмов. Многолетнее сотрудничество нашей группы с профессором математики А. И. Галушкиным, ведущим нейрокомпьютерщиком нашей страны и признанным мировым авторитетом в области нейроматематики и нейрокомпьютерной техники, дало определенный крен наших исследований в область теоретических научных изысканий. Очевидно, что нейроинженерия должна быть очень точной и математически выверенной наукой. Известно, что медицинская наука по точности – а уж неврология и психиатрия так и подавно – вторая после богословия! А тут не просто высокотехнологичная биоинженерия, а нейроинженерия!
Вначале авторов и наш небольшой научный коллектив, приступивший к написанию этой книги, терзали смутные сомнения: правильно ли мы делаем, что беремся за написание научной работы по этой тематике, и сможем ли мы правильно донести свои соображения и представления об этой нейронауке? Однако, посмотрев основные фундаментальные научные публикации и монографии по современной нейроинженерии, мы пришли к заключению, что мы, в отличие от большинства исследователей в мире, вообще по-разному понимаем научный термин «нейроинженерия» и думаем о настоящем и будущем этой нейронауки и нейротехнологий явно в разных направлениях. Поэтому в этой книге будут изложены наши личные научные представления о нейроинженерии вообще и нейротехнологиях в частности.
Мы достаточно традиционно составили оглавление этой книги. В первой главе мы решили обсудить основные аспекты терминологии и определения понятийного аппарата в сфере нейроинженерии и нейротехнологий. Попытаемся дать в ней свое определение основных понятий нейроинженерии и нейротехнологий. Эта глава посвящена больше теоретическим аспектам излагаемой проблемы, а также созданию у читателей реального представления об этой новой области нейронауки. В этой главе мы попытались изложить основные теоретические и методологические платформы нейроинженерии и основные направления научного развития этой новой области медицины.
Вторая глава книги посвящена обобщению существующих в мире современных нейротехнологий, попытке их ранжирования по основным системообразующим признакам. В ней мы попытались представить всю многогранную палитру мировых нейроинженерных изысканий и достижений ученых и показать свое частное отношение к большинству из них. Нет, в этой главе мы не ставили задачу осуждать и критиковать другие научные коллективы нейроученых, но попытались вместе понять, насколько представленные миру факты о прорывах в нейроинженерии действительно отражают мировой научный прогресс – или это только фейковые новости из мира науки, за которыми ничего нет или мы этого просто не смогли увидеть. На наш взгляд, она получилась достаточно громоздкой и зачастую дублирующей уже известный материал. Но это было сделано умышленно, чтобы показать читателю, что большинство нейротехнологий – это вариации на тему нейрореставрации мозга и разработки и создания реально существующего нейроинтерфейса.
В третьей главе монографии были кратко изложены основные положения авторской теории информационно-коммутационного устройства головного мозга человека проф. А. С. Брюховецкого как нового научно-методологического подхода к современной нейроинженерии. Мы считаем, что именно новая теория инновационного понимания информационно-коммутационного устройства головного мозга человека, постулирующая информационные принципы его функционирования, позволяет увидеть перспективы развития и совершенствования этого нового сектора высокотехнологичной медицины.
Четвертая глава книги посвящена описанию нашего открытия микроволновой биоэлектрической активности (БЭА) головного мозга человека и разработке и обсуждению перспектив создания нейроинженерных микроволновых технологий диагностики его патологии. Открытие микроволновой БЭА мозга стало возможно исключительно на основе новой теории устройства мозга человека. Мы убеждены, что четкое понимание нейромикроволновых технологий этой инновационной нейронауки основанных на новых научно-теоретических информационно-коммутационных представлениях позволит с новых научно-методологических позиций решать проблемы теоретической и практической нейроинженерии. В ней мы представляем полученные объективные экспериментальные доказательства установленных научных фактов нашей научной теории. Мы подтверждаем в эксперименте научное предположение о том, что кора головного мозга не умеет «думать», а «нейропроцессором» в голове человека является не столько кора головного мозга, как общепризнанно в мире, сколько межоболочечное ликворное пространство, где коммутация электромагнитных сигналов от различных отделов мозга человека осуществляется вне нервной ткани головного мозга (ГМ) на уровне электромагнитных волн (ЭМВ), излучаемых корой ГМ, и их суперпозиций сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Мы приводим доказательства регистрации этих ЭМВ СВЧ-диапазона в ликворном пространстве и показываем на научных фактах и на наших исследованиях, что мысль и сознание человека материальны и могут быть оцифрованы и зарегистрированы высокочувствительным современным антенным СВЧ-оборудованием экспертного класса.
В пятой главе этой книги описаны подходы к разработке и созданию микроволновой энцефалографии головного мозга. Это совсем новое направление в нейроинженерии и нейротехнологиях, где мы впервые демонстрируем достигнутые нами собственные уникальные достижения и возможность зарегистрировать микроволновые биопотенциалы электрической активности головного мозга в диапазоне от 1 до 4,5 ГГц. Предложенная нами нейротехнология в миллиард раз (109) отличается об современных аппаратных средств для регистрации биоэлектрической активности ГМ. Эта глава написана совместно с инженером-математиком и радиоинженером Леонидом Игоревичем Брусиловским. Без его настойчивости и энтузиазма это направление нейроинженерии вряд ли бы имело шанс на существование. Поэтому авторы выражают ему искреннюю признательность за проведенную совместную работу и соавторство в этой главе.
В шестой главе книги обсуждаются технологии реставрации поврежденного головного и спинного мозга человека путем применения технологий регенеративной медицины различными клеточными системами. В ней будут представлены основные интервенционные нейробиоинженерные технологии и технологии тканевой инженерии в реконструкции нервной ткани головного и спинного мозга.
В седьмой главе книги мы решили обсудить нашу авторскую запатентованную нейротехнологию под названием «дистанционная мультиволновая бесконтактная радионейроинженерия». Эта инновационная технология нейроинженерии нами была разработана как способ отрицания большой нейрохирургии в реконструкции мозга. Как мы уже отмечали ранее, по решению Роспатента эта нейротехнология вошла в число 100 лучших изобретений в России в 2017 г. Это большая честь для нас, и мы очень гордимся тем, что она была замечена ведущими отечественными патентоведами и экспертами по патентному праву и удостоена столь престижного диплома. Это позволяет нам надеяться, что она найдет своего потребителя в клинике в ближайшее время.
В восьмой главе мы поговорим о том, как лично мы видим ближайшее будущее нейроинженерии, а точнее о разработке и создании новаторской технологии гиперзвуковой нейроинженерии ГМ и устройствах для ее реализации в клинике, созданных на базе современных МРТ-аппаратов. Что касается практической реализации идеологии гиперзвуковой нейроинженерии, то она находится в самом начале большого пути, т.е. тогда, когда уже почти полностью выкристаллизовалась основная научная идея этого научного подхода к реставрации тканей и органов, но есть технологические трудности создания аппаратных средств этого направления нейроисследований. Правильнее было бы сказать, что мы попытались очертить новое и очень перспективное, на наш взгляд, направление в современной нейронауке и показать одно из интереснейших новых направлений развития мировой научной нейроинженерной мысли.
Публикуя свои соображения на этот счет, мы прекрасно осознаем, что разработка и создание новых гиперзвуковых аппаратных комплексов, работающих под контролем МРТ, для этого инновационного направления нейроинженерии – путь к биотехнологическому прорыву в современных методах биоинженерии органов и тканей человека и животных. Очевидно, что разработка и создание подобных проектов – это преимущественно прерогатива крупных государственных «технологических долин», имеющих колоссальные финансовые ресурсы и неограниченные возможности кооперации ученых и профессионалов самых разных специальностей из разных стран мира в определенной области знаний. В маленькой частной клинике добиться нужного результата можно, но на это уйдут многие годы и колоссальные средства, которые вряд ли окупятся созданным нейроинженерным продуктом. Подобный нейроинженерный проект по уровню финансирования, по наукоемкости и ценности полученных результатов для человечества равнозначен аналогичным параметрам космического полета на Марс или на Луну. Но мы не привыкли тратить на медицину и изучение человека такие большие средства и ресурсы. Это же не освоение космоса!
Создание гиперзвуковой биоинженерии под контролем МРТ может стать следующим шагом научного прогресса в неврологии, психиатрии и нейроонкологии и вообще во всем мировом здравоохранении. Иллюстрацией подобного подхода могут служить уже существующие нейротехнологии фокусированного ультразвука (ФУЗ). Осуществление научного прорыва в неврологии и нейроонкологии посредством ФУЗ под контролем МРТ позволило производить высокотехнологичные точечные стереотаксические операции на структурах мозга человека при болезни Паркинсона и спастическом параличе. ФУЗ обеспечил применение уникального инструментария дистанционного электромагнитного воздействия ФУЗ путем создания локальных микроишемий в патологических зонах в ГМ и СМ человека. Главное отличие предлагаемого гиперзвукового воздействия на нервную ткань ГМ или ткань других органов заключается в том, что оно не повреждает тканевую и сетевую структуру ЦНС или тканевую структуру солидного органа. От ФУЗ-воздействия под контролем МРТ в нервной ткани остаются локальные очаги некроза и ишемии, а применение гиперзвукового воздействия не разрушает структуру нервной ткани, изменяя фенотипические и молекулярно-биологические характеристики клеток, входящих в нее.
Девятая глава книги была целенаправленно посвящена проблеме нейроинтерфейса, освещению существующих проблем и поиску путей ее решения. Мы в ней больше теоретизируем о возможности создания инвазивных и неинвазивных нейроинтефейсов и предлагаем свои пути решения данной проблемы. С ними можно соглашаться, не соглашаться или отрицать их полностью, но это наш взгляд на проблему, и мы его изложили для критики и обсуждения.
В десятой главе книги мы решили поразмышлять по поводу сложнейшей нейроинженерной проблемы, связанной с созданием современного природоподобного вычислительного суперкомпьютера. Мы демонстрируем свою альтернативную точку зрения на эту мировую проблему: почему надо отказаться от создания нейроморфного супервычислителя на базе нейрокомпьтерных сетей, а отдать предпочтение новейшей методологии разработки и создания капитумморфного (от лат. capitum – голова; подобного голове) суперкомпьютера, т.е. супервычислителя, копирующего не принципы устройства нервной ткани головного мозга человека, а информационные принципы устройства головы человека, млекопитающих и птиц. В ней мы также обсуждаем возможные нейротехнологии в разработке и создании этого принципиально нового поколения вычислительной техники и суперкомпьютеров.
В заключении мы обобщили все наши собственные наработки в области нейроинженерии и нейротехнологий и представили основные перспективные направления развития этого важного аспекта нейроинженерии.
Создание этой книги было бы невозможным без помощи большого научного и практического коллектива математиков и физиков, увлеченно занимающихся проблемами нейроинженерии, возглавляемого Леонидом Игоревичем Брусиловским, ставшим соавтором двух глав этой книги и генератором новых идей по реализации новых нейроинженерных подходов; также без сотрудников клиники «НейроВита» клиническая часть нейроинженерных работ была бы просто невозможна.
По всем вопросам, возникшим при прочтении этой книги, просим направлять корреспонденцию по адресу: neurovita-as@mail.ru.
⠀АвторыГлава 1. Что такое нейроинженерия и нейротехнологии?
Слово «нейроинженерия» в первых декадах XXI в. уже никого не удивляет, как не удивляет и появление новой профессии – нейроинженера. Эта инновационная терминология новой инженерной специальности настолько широко растиражирована в интернете и среди «продвинутой» современной молодежи и студентов, занимающихся роботехникой и информационными технологиями, что каждый второй уважающий себя школьник старших классов и студент первых курсов современного медицинского или технического университета знает о существовании этой новой специальности в нейронауках и может порассуждать о ней и ее перспективах, о зарплатах нейроинженеров и привести примеры внедрения и применения нейроинженерии и нейротехнологий на практике.
Из названия этой новой нейронауки очевидно, что термин «нейроинженерия» (neuroengeenering) является производным от двух достаточно понятных английских слов: neuro или neural (нервный) и engeenering (инженерия – создание технических устройств). Первый корень этого слова – neuro – предполагает, что эта наука направлена на создание технических устройств для реализации задач основных нейронаук (психиатрии, неврологии, нейрохирургии, нейрофизиологии и т.д.).
В интернете русская версия Википедии (2019) дает следующее определение нейроинженерии как самостоятельной науки: «Нейроинженерия – это новая научная дисциплина, входящая в состав биомедицинской инженерии, использующая различные инженерные методы для изучения, восстановления, замены или укрепления нервной системы». В зарубежной версии Wikipedia (2021) также представлено очень похожее определение, в котором утверждается, что нейроинженерия – это дисциплина в биомедицинской инженерии, которая использует инженерные методы для понимания, восстановления, замены, улучшения или иного использования свойств нейральных систем (Hetling, 2008). В целом эти определения дублируют, по сути, друг друга, что свидетельствует о том, что это достаточно общая современная концепция понимания нейроинженерии, и она сводится к тому, что нейроинженерия – это часть большой общей современной науки биоинженерии и предназначение у нее достаточно целенаправленное: детальное изучение и понимание устройства мозга, его оптимальное восстановление в местах повреждений путем замены пострадавшей части нервной ткани на искусственные неживые элементы для восстановления утраченных функций. Несомненно, что данное определение не конкретизирует ее фундаментального содержания и научного смысла, но очень точно определяет и очерчивает ее границы и подчеркивает специфику работы специалистов-нейроинженеров. J.R. Hetling (2008) считает, что нейральные инженеры имеют преимущество перед другими специалистами инженерного профиля в том, что они обладают уникальной квалификацией работы на стыке живых нервных тканей и неживых механических и электронных конструкций.
