Полная версия
Рис. 12. а – внешний вид имплантируемых «нитей» нейроинтерфейса;
b – общая схема установки нейроинтерфейса Neuralink;
c – робот-нейрохирург компании Neuralink, d – устройство подачи игл для установки нитей; e – прототип чипа с USB-C; f – нейроинтерфейс компании Neuralink у экспериментальных животных (крысы); g – макака по имени Пейджер с помощью имплантируемого интерфейса
«мозг – компьютер» управляет компьютером
Рис. 13. а – варианты создания малоинвазивных нейроинтефейсов,
основанных на принципах съема ЭЭГ; b – основные известные способы
снятия биологической информации с человека с инвалидностью
Рис. 14. Бионический протез руки, напечатанный на 3D-принтере
Но при этом компании Neuralink нужно доказать, что изоляция «нитей» продержится в мозговой среде достаточно долго, т.к. солевой раствор внутри мозга разрушает многие виды пластиков. Нейробиолог Эндрю Хайрс, разобравший исследование Neuralink в серии твитов, впечатлился проделанной работой и подчеркнул, что продукт компании «выходит за рамки современного уровня техники». Мы абсолютно согласны с этим утверждением, но, к сожалению, ультрапередовой уровень техники создания нейроинтерфейсов не решает проблему отсутствия нужной информационной теории устройства мозга, и поэтому вряд ли подобный интерфейс между мозгом и компьютером сможет обеспечить устойчивую информационную связь.
Варианты создания малоинвазивных нейроинтефейсов, основанных на принципах съема ЭЭГ, представлены на рис. 13.
Управляемые биоимпульсом человека протезы рук (рис. 15а) и ног (рис. 15d, e), а также управление роботизированным устройством для работы инвалида на компьютере (рис. 15b) уже стали шедеврами современной мировой биоинженерной мысли. Одними из наиболее совершенных протезов голени на сегодня считаются BiOM Ankle компании BionX (США), основанной проф. Массачусетского технологического института (MIT) Хью Хэрром (Hugh Herr). Миоэлектрические протезы BiOM Ankle оснащены микропроцессорами и сенсорами, благодаря которым становится возможной мгновенная автоматическая регулировка угла наклона стопы и уровня амортизации (рис. 16).
Верх совершенства и современных нейроинженерных достижений продемонстрировали «управляемые мыслью» протезы рук у пациентов с ампутированными конечностями, представленные специалистами Американского оборонного агенства перспективных технологий DARPA. Их достижения в 2017 г. признаны лучшими образцами нейроинтерфейса в создании биоуправляемых бионических протеозов (рис. 17).
Рис. 15. Практическая реализация технологии нейроинтерфейса в создании нейробиопротезного оборудования и систем реабилитации инвалидов
Рис. 16. Биоуправляемые протезы ног. Одними из наиболее совершенных протезов голени на сегодня считаются BiOM Ankle компании BionX (США), основанной проф. Массачусетского технологического института (MIT) Хью Хэрром (Hugh Herr), который в нем выступает на конференции ТОD (на снимке). Миоэлектрические протезы BiOM Ankle оснащены микропроцессорами и сенсорами, благодаря которым становится возможной мгновенная автоматическая регулировка угла наклона стопы и уровня
амортизации
Рис. 17. а, b – периферийный нейроинтерфейс с помощью имплантируемых микроэлектродов соединяет нервные волокна руки с электроникой протеза от ДАРПА (США) – «искусственная рука»; с – периферийный
нейроинтерфейс с помощью имплантируемых микроэлектродов
соединяет нервные волокна, иннервирующие мышцы груди пациента,
с электроникой протеза от ДАРПА (2017—2018)
Компания Touch Bionics (Великобритания), выпускающая миоэлектрические протезы кисти и пальцев под маркой i-limb, представила на мировом конгрессе Международного сообщества по протезированию и ортопедии ISPO-2015 (22—25 июня 2015) новую версию искусственной руки – i-limb quantum, основанную на технологии нейроинтерфейса (рис. 18). Функциональность i-limb реализуется с помощью программного обеспечения, описывающего набор стандартных движений и захватов и позволяющего регулировать силу сжатия. Новый проект i-limb quantum включает управление простыми жестами: чтобы выбрать нужный захват, носитель делает движение по одному из 4 направлений.
Таким образом, очевидно, что технологии нейроинтерфейса – самые продвинутые технологии в нейроинженерии, и они добились самых внушительных результатов. Однако большинство ученых и больших научных коллективов выдают желаемое за действительное, и мы слышим по радио и видим с экранов телевидения и в интернете, как самыми различными путями исследователи пытаются снять объективную информацию с головного мозга человека и передать ее в компьютер и обратно.
Рис. 18. Протезы i-limb используют запатентованную технологию,
позволяющую считывать мышечные импульсы
Обобщая все вышеизложенное, можно смело утверждать, что для целей создания разных типов нейроинтерфейсов разными научными коллективами используются различные электрические сигналы, получаемые аппаратными средствами от нервной ткани человека. В одних случаях источником взаимодействия от мозга служат данные электроэнцефалографии, электрический сигнал от внутримозговых микро- и наноэлектродов, имплантированных в кору головного мозга, а также используются распределенные электромагнитные сигналы от различных типов нанонапылений (нанопыль) на кору мозга или от имплантированных в кости черепа «биоболтов» или «биопортов», у которых есть расположенные над корой головного мозга электроды. В других случаях осуществляется отведение сигнала от нейростимулятора, имплантированного в проекции спинного мозга, или от электронейромиограммы периферических нервов, иннервирующих определенные группы поперечно-полосатых мышц. Но несмотря на столь разнообразные источники получения информационных сигналов от нервной ткани человека, пока даже близко нет реальных результатов фактического нейро-машинного взаимодействия между мозгом человека и компьютером. Технологически реализация феномена нейроинтерфейса пока не представляется реальной! Постоянные информационные «вбросы» о том, что где-то наконец-то осуществлена реальная установка интерфейса между мозгом обезьяны, находящейся в США, и компьютером, находящимся в Японии, на другом конце Земного шара, и при этом биопотенциалы мозга американской обезьяны управляются биопотенциалами головного мозга японской обезьяны через осуществленный компьютерный нейроинтерфейс, – на самом деле являются очередными рекламными, фейковыми новостями. Это связано с большими надеждами человечества на потенциальную возможность передачи мыслей на расстоянии. Именно поэтому это самые высокофинансируемые и самые многообещающие исследования в области нейроинженерии и считается, что именно они обеспечат тот научный прорыв, на который рассчитывает вся мировая научная общественность.
Нейротехнологии функционального объединения живых и неживых элементов нервной ткани. Эти технологии условно занимают второе место среди ведущих нейроинженерных технологий в мире. Исследователи из Института биохимии Макса Планка (Германия) соединили ряд живых нервных клеток с элементами кремниевого чипа. Так была образована схема «кремний – нейрон – нейрон – кремний». Входной электрический импульс приводил в возбужденное состояние первый нейрон, тот посылал сигнал второму, второй подхватывал сигнал и «передавал» его на транзистор. В эксперименте использовались нейроны улитки Lymnaea stagnalis из-за больших размеров ее нервных клеток, доступных для манипуляций обычными инструментами.
Нейроинженерия давно пыталась достичь подобного результата: гибридные схемы из живых и неживых элементов в будущем позволят заменять поврежденные биомеханизмы на искусственные имплантаты, управляемые нервной системой. Нейрофизиологи из Технологического института Джорджии (США) совместно с искусствоведами из Университета Западной Австралии научили крысиные нейроны «рисовать». Для исполнения эксперимента американцы взяли кусок мозга грызуна и подсоединили его нейроны к 60 электродам, а те подключили к компьютеру. ПК читает нейронные сигналы в Америке. Переданные по электронной почте потоки сознания крысиных нейронов изливаются на бумагу при помощи 3 цветных фломастеров уже на Австралийском континенте (Петренко, Светлова, 2014). Можно ли это явление назвать нейроинтерфейсом? Наверное, нет. Хотя сам принцип соединения живой нервной ткани и неживой материи соответствует духу фундаментальных нейроинженерных исследований.
Европейские ученые разрабатывают инвалидное кресло, управляемое импульсами мозга. Пользователи таких кресел будут надевать на голову «шапку» – специальное устройство, снабженное электродами, улавливающими малейшие электрические колебания на поверхности головы. Современные технологии позволяют преобразовать эти импульсы в команды, управляющие движением кресла. Разработка такого инвалидного кресла началась недавно, но опыты ученых уже дают положительные результаты. Пока вся система построена на основе простейшего робота на колесах, подобного радиоуправляемым игрушкам. При помощи специальной электронной «шапки» ученым удалось заставить его двигаться в 3 направлениях – налево, направо и вперед, как сообщает BBC.
Когда человек хочет двигаться в каком-то направлении, его мозг порождает определенные импульсы. Эти импульсы всегда одинаковы для одного и того же направления движения. Электронная «шапка» улавливает эти импульсы при помощи электроэнцефалографии (ЭЭГ) и передает полученные данные в компьютер. Специальная программа, разработанная учеными, анализирует полученные данные и преобразовывает их в команды, которые затем передаются роботу (http://news.proext.com/tech/11999.html). Сам робот запрограммирован так, что он начинает движение или поворачивает куда бы то ни было не сразу, а только когда есть такая возможность. Таким образом, он никуда не врезается. Кроме того, в робота встроены инфракрасные датчики, которые распознают различные объекты и помогают роботу избежать столкновения с ними.
Британский проф. Кевин Уорвик (K. Warwick) сообщил фонду «Наука за продление жизни», что на факультете кибернетики Университета Рединга (Великобритания) появилось необычное существо по имени Гордон, который в буквальном смысле является крысороботом. Внутри искусственной конструкции содержится питательная среда с десятками тысяч нейронов, выделенных из мозга живой крысы. Гордон – очередной продукт знаменитого редингского проф. Кевина Уорвика, который в этом эксперименте объединился с биологом, проф. Школы фармацевтики того же университета Беном Уорлли (B. Worlly). Потенциальные возможности «квазимозга» Гордона соответствуют лишь уровню продвинутых насекомых (скажем, пчел или ос). Однако даже такая, сильно облегченная версия крысиного мозга, представленная британскими учеными, не может не будоражить воображение всех ценителей жанра science fiction, хотя это уже не первая попытка создания подобных гибридов. Американец Стив Поттер из лаборатории нейроинженерии Технологического института штата Джорджия (Атланта) еще в 2003 г. сконструировал гибридное устройство (hybrot), содержащее несколько тысяч крысиных нейронов, а годом позже Томас Де Марс из Университета Флориды создал «мозг в чашке», состоявший уже из 25 тыс. крысиных нейронов.
Крысоробот Гордон из Рединга по количеству нейронов в мозге значительно умнее своих собратьев, но главная новизна эксперимента Уорвика – Уолли в том, что им впервые удалось установить непосредственный контакт с живым мозгом, находящимся в искусственной оболочке. Непосредственным показателем биоэлектрической активности нервных клеток при передаче нейронных импульсов выступают спонтанные перепады напряжения (т.н. биоэлектрический потенциал), определяемые разностью электрических потенциалов между 2 точками живой ткани. И именно такие электрические сигналы четко фиксировались на компьютерных экранах наблюдателей. Ключевой аспект исследований, по мнению авторов, заключался в понимании того, что же такое память. На данной модели исследователи по-разному экспериментируют с «маленьким живым мозгом», находящимся внутри робота. Они помещают робота в различные положения, заставляют его познавать окружающую среду и выясняют, насколько хорошо сохраняются эти воспоминания в мозге. Следующий шаг должен усилить эти воспоминания – в перспективе это может помочь в лечении болезни Альцгеймера, а также людям, пораженным инсультом. Мозг имеет приблизительно 100 тыс. нейронов, которые растут на множестве электродов. Коммуникация происходит как через эти электроды, которые фиксируют сенсорную информацию от тела робота, так и через «двигательные» команды, исходящие от мозга и поступающие на его колеса. Авторы эксперимента действительно находятся в контакте, потому что мозг удается стимулировать и он отвечает на их стимулы. Постепенно, по мере того как мозг учится управлять «телом» – роботом, у него возникает привычка к этой деятельности, и эта привычка усиливает образование связей между нейронами.
Нейротехнологии искусственного протезирования участков головного и спинного мозга. Обсуждая эти нейротехнологии, обратим внимание на нейроинженерные работы проф. Теодора Бергера (Theodore W. Berger) (рис. 19), который считается основоположником искусственного нейропротезирования в современной нейроинженерии.
Он проводит эксперименты по клеточным (молекулярным) механизмам пластичности синаптических связей и влиянию этой пластичности на функциональную динамику гиппокампа на сетевом и системном уровнях; является руководителем группы разработчиков технологии протезирования мозга в Центре нейроинженерии Университета Южной Калифорнии. Считается, что он якобы первым заменил гиппокамп крысы чипом в 2009 г. (рис. 20). Другими словами, считается, что именно он и его группа создали «искусственный гиппокамп». Эта технология где-то граничит с технологиями нейроинтерфейса. В настоящее время его группа разрабатывает технологию «нейронно-кремниевого интерфейса», используя многоабонентскую электродную матрицу на основе кремниевых соединений и методы выращивания тканевой культуры для последующей имплантации аппаратных моделей в мозг и замены поврежденной или дисфункциональной нервной ткани.
Рис. 19. Теодор В. Бергер (Theodore W. Berger), проф. инжиниринга Фонда Дэвида Паккарда (David Pakkard), проф. биомедицинской инженерии и нейробиологии, директор Центра нейроинженерии (CNE) Университета Южной Калифорнии (USC), доктор философии по физиологической
психологии Гарвардского университета
Чтобы понять масштаб проекта, на который нацелились Томас Бергер и его команда, нужно сделать определенное отступление и дать небольшие пояснения. Работа Т. Бергера направлена на протезирование функции памяти и на искусственное восстановление утерянной памяти. И хотя считается, что он «создал и имплантировал первый в мире искусственный гиппокамп», полученный им и его командой, результат лишь условно можно считать реальным восстановлением утраченной памяти.
При этом надо понять, что в современных науках о мозге не существует четкого понимания и строго научного объяснения феномена, которое мы называем памятью, и нет точного научного описания того, где она локализуется. Современные нейрофизиологические представления о памяти очень нечеткие, и большинство нейроспециалистов считают, что память равномерно распределена по коре головного мозга и локализована про всему мозгу и в гиппокампе. Человеческая память бывает двух видов – кратковременная и долговременная.
Рис. 20. Схема протезированния гиппокампа с заменой его на нейронные коды, представленная Томасом В. Бергером в целом ряде специализированных журналов по нейроинженерии (Neuronal Engineering, 2013;
J. Neural Eng. – 2012. №9; 2011. №8)
Кратковременная память характеризуется малым объемом и небольшим (порядка 30 с) временем хранения, причем главную роль в образовании кратковременной памяти играют лобные доли головного мозга. У долговременной памяти и объем, и время хранения информации практически не ограничены. В качестве кладовых этого вида памяти выступают уже височные отделы коры. Впрочем, выделить участки коры, где хранится память о тех или иных специфических событиях, никому пока так и не удалось. В качестве возможного объяснения этих безуспешных попыток учеными было сделано предположение, что записи о том или ином конкретном событии дублируются в разных участках коры головного мозга. Косвенно это подтверждают эксперименты американца Карла Лешли (Karl Lashley), проведенные в конце 1950-х гг.: сначала он обучал крыс проходить через лабиринт, а затем поочередно удалял различные части их мозга. Как оказалось, вне зависимости от того, какая часть головного мозга удалялась, крысы всегда сохраняли способность ориентироваться в лабиринте (проверять их реакцию на полное удаление мозга дотошный исследователь не стал). Удивительно, но именно эти научные представления являются доминирующими в нейрофизиологии, нейропсихологии и клинической медицине последние 60—70 лет. Тогда с Карлом Лешли работал Карл Прибрам (Karl Pribram), известный американский нейрофизиолог и экспериментатор. Они вместе изучали поведение экспериментальных крыс, обученных правильной навигации в лабиринте, он тоже хирургическим путем удалял постепенно разные части головного мозга этих животных, и, к его удивлению, память животных на выполнение программы прохождения лабиринта практически не страдала от объема удаленного мозга. И только тогда, когда он пересекал гиппокамп, животные теряли ориентацию и не могли выполнить заученную программу прохода по лабиринту. Он пришел к заключению, что количество удаленного головного мозга у животных не влияет на объем памяти и что память равномерно распределена по всему мозгу и локализована преимущественно в гиппокампе, т.к. при его повреждении (удалении) полностью теряется способность что-либо запоминать.
Данный фундаментальный вывод К. Прибрама стал краеугольной догмой в нейронауках последние 7 десятилетий. Якобы он был подтвержден К. Прибрамом с помощью клинического факта глобарного выпадения памяти у одного больного с ишемическим повреждением, локализованным в гиппокампе. Обнаруженный К. Прибрамом у одного из пациентов в неврологической клинике феномен нарушения памяти при ишемии гиппокампа определил на последующие годы научное представление о том, что память локализуется именно в гиппокампе, и стал неопровержимым клиническим подтверждением его экспериментальных данных. При этом уже был неважен тот факт, что у целого ряда других больных с ишемией в проекции гиппокампа нарушений памяти не было выявлено. Догма была принята научной общественностью и в последующем якобы постоянно получала экспериментальные подтверждения.
Еще один постулат о том, что высшие мыслительные функции человека (включая память) осуществляются в коре головного мозга – сравнительно небольшом образовании толщиной около 1/3 см, и сегодня считается более чем очевидным. Пожалуй, самое убедительное свидетельство его справедливости – опыты канадского нейрофизиолога и нейрохирурга Уайлдера Пенфилда, проведенные в 1950-х гг. в Монреале. В ходе исследований по выявлению очага эпилепсии он обнажал поверхность мозга больных (иначе говоря, трепанировал их черепа) и раздражал определенные участки коры полушария мозга пациента с помощью электродов. Больные при этом находились в сознании, под местным наркозом и могли описывать свои ощущения. Как оказалось, при раздражении тех или иных участков коры пациенты переживали яркие воспоминания различных моментов своего прошлого. К. Прибрам в дальнейшем тоже участвовал в изучении памяти у больных с эпилепсией и подтвердил свои данные прямой электростимуляцией различных отделов коры мозга у больных во время операций на открытом мозге; он показал, что способен вызывать одинаковые воспоминания при стимуляции определенных зон в коре мозга. Несмотря на это, он остался на позициях равномерного распределения памяти по всему головному мозгу человека и локализовал память в коре мозга. В дальнейшем у многих больных с повреждением гиппокампа не было выявлено подобных нарушений памяти, но на самом деле это уже было неважным и никого не интересовало. Истина была установлена, и дилемма решена на долгие времена! Была сформулирована научная гипотеза, что краткосрочная память расположена во всей коре головного мозга и голографически распределена по всему объему мозга, а долговременная память сосредоточена именно в гиппокампе (Прибрам, 1968). Но каким образом конкретно голографическая память распределена по мозгу, Карл Прибрам так и не смог объяснить.
Современные исследования с использованием МРТ показали, что гиппокамп играет важную роль в процессе запоминания, и имеются доказательства, что именно гиппокамп имеет определяющую роль в поиске кратчайших путей и прокладке маршрутов между уже хорошо известными местами. К примеру, таксистам из Лондона необходимо знать большое количество мест и наиболее коротких путей между ними. Исследование одного из университетов Лондона в 2003 г. показало, что гиппокамп у таксистов больше, чем у большинства людей, и что наиболее опытные таксисты имеют больший гиппокамп, чем таксисты, не имеющие большого опыта. Томография мозга показывает, что гиппокамп наиболее активен у людей во время успешного перемещения в пространстве, и те же пространственные клетки у человека задействованы в поиске пути во время навигации по виртуальным городам. Поэтому попытка создания искусственного гиппокампа и его имплантация – это больше претензия на прорыв в наших научных представлениях и в доказательстве локализации памяти в данном анатомическом образовании. Это важно еще и потому, что установлено, что память бывает двух типов: кратковременная – сохраняющаяся лишь до тех пор, пока мы удерживаем внимание на объекте, и локализующаяся в префронтальной коре – долговременная. Последняя, в свою очередь, делится на сознательную, или декларативную, память о событиях, фактах, ощущениях и бессознательную, имплицитную, или процедурную, память (например, о двигательных навыках). Установлено, что во сне происходит закрепление обоих типов долговременной памяти, причем декларативная память закрепляется в фазе медленного сна, а процедурная – в фазе быстрого сна. Запоминание во время медленного сна – процесс активный, требующий работы гиппокампа. Гиппокамп получает также входы от зрительной, обонятельной и слуховой систем. Грубо говоря, на него можно смотреть как на черный ящик со множеством входов и выходов. Разные входные комбинации сигналов приводят к тем или иным выходным комбинациям.
Теодор Бергер, директор и руководитель проекта Центра нейроинженерии Университета Южной Калифорнии, пришел к парадоксальному выводу, что работу гиппокампа можно воспроизвести в микросхеме. Нейроны, идущие на вход гиппокампа, ученые стимулировали беспорядочными сигналами, выдаваемыми компьютером, имитируя разнообразие информации, приходящей извне. Исследователи фиксировали ответные сигналы. Эта работа шла далеко не один год. Наконец компьютер смог вычислить все математические функции, которые гиппокамп крысы осуществлял с нейросигналами. Они создали микросхему, которая воспроизводила работу гиппокампа крысы с точностью 95%. Какое эта схема проф. Т. Бергера имеет отношение к памяти, не очень понятно, но то, что эта схема позволяет моделировать функции маршрутизатора и коммутатора, несомненно.
Далее T. Berger участвовал в разработке аналога сверхбольшой интегральной микросхемы – СБИМС (VLSI) экспериментальных моделей нейронов гиппокампа и нейронных сетей как для фундаментальных исследований, так и для прикладных программ. Он исследовал применение математических методов на биологической основе функциональных свойств гиппокампа, суммируя экспериментальные исследования фундаментальных электрофизиологических свойств нейронов гиппокампа. Насколько важны и актуальны эти исследования, судить трудно. Наверное, очень важны; если считать, что память человека как основная функция мозга действительно расположена в гиппокампе, тогда актуальность этих исследований огромна. Однако роль гиппокампа в процессах памяти еще точно не установлена. Реальных доказательств роли гиппокампа как вместилища долговременной памяти не существует. Все данные о том, что память сосредоточена в структурах гиппокампа, основаны все-таки на устаревших экспериментальных исследованиях прошлого века, проводимых Карлом Прибрамом, но они не имеют современного научного подтверждения. До настоящего времени, спустя 10 лет после этих разработок, так и не появилось реальных доказательств того, что ученые действительно смогли спротезировать память у крыс и человека. Поэтому сложно понять, что именно протезировал T. Berger; остается достаточно неясным и почему спустя 10 лет после этих выдающихся работ мы ничего не знаем об этих высокотехнологичных достижениях и они так и не внедрены в практику неврологической клиники до настоящего времени. А ведь больных с нарушениями памяти в любой неврологической клинике более двух третей.
