Журнал «Вокруг Света» №02 за 2007 год

Интерфейс для головного мозга

Принцип работы головного мозга всегда был, да и теперь остается для исследователей terra incognita. Несмотря на фантастические достижения нейрохирургии, не существует даже какой-нибудь цельной теории его функционирования. Но не дожидаясь ее появления, инженеры уже сейчас создают приборы, которые в будущем существенно расширят возможности человека.

В1929 году австрийский психиатр Х. Бергер обнаружил так называемые «мозговые волны», которые можно регистрировать по колебаниям электромагнитного поля на поверхности черепа. Он также заметил, что состояние испытуемого существенно меняет характеристики этих сигналов. Наиболее заметными оказались волны относительно большой амплитуды с частотой около 10 циклов в секунду. Бергер дал им название «альфаволны». В более активном состоянии Бергер зафиксировал «бета-волны» с более высокой частотой. Это открытие привело к созданию электроэнцефалографии (ЭЭГ) — метода изучения мозга, основанного на регистрации и анализе биотоков. Электрическая активность мозга возникает уже у плода и прекращается только с наступлением смерти. Она сохраняется даже при глубокой коме или наркозе, хотя и с существенными изменениями.

Для снятия электроэнцефалограммы на голове закрепляются от 8 до 32 электродов. Для лучшего контакта со скальпом служит специальный электродный гель. Данные регистрирует компьютер. На сегодня эта технология отработана уже настолько, что в мире есть даже любители, снимающие и изучающие ЭЭГ

На сегодня ЭЭГ — один из самых простых технических способов изучения мозга. Однако анализ ЭЭГ позволяет получить лишь весьма общие данные о его работе. Нейрофизиологам и нейропсихологам этого инструмента совершенно недостаточно. Иное дело — инженеры, которым хватает тех изменений, которые регистрирует энцефалограф.

В 2003 году корейские инженеры из компании Lims Technology в сотрудничестве с Университетом провинции Чанбук (Chungbuk Provincial University) решили продемонстрировать свою разработку, причем максимально красочно, как это любят делать корейцы. Предварительно был проведен анализ различных состояний испытуемого человека. Пациента вводили в состояние гипноза, пугали, смешили, предлагали смотреть на яркую лампу или, наоборот, погружали в полную темноту. На основе собранных данных на ЭЭГ были выделены признаки, которые с определенной точностью характеризовали состояние человека. Чтобы опыты не превратились в пыточный кошмар, решено было ограничиться эмоциями, в которые пациент может погружать себя самостоятельно.

Если серьезно, то разработчики решили развить работу профессора МГУ Александра Каплана, который занимался составлением каталога так называемых «ЭЭГ-маркеров неблагоприятных функциональных состояний мозга человека». Испытуемый легко может расстроить или рассмешить себя, что моментально отображается на снимаемых с головного мозга данных. Каталог состояний-маркеров позволил точно идентифицировать состояние человека и переводить их в команды роботу. Собрать устройство, которое принимает сигнал ЭЭГ, распознает маркеры и преобразует их в соответствующие сигналы компьютеру, — задача для студента технического вуза.

Этот простой опыт был продемонстрирован по телевидению. Девушка из числа зрителей надела шлем с электродами. Затем ведущий рассказал ей простенькую шутку, заставив ее улыбнуться, — и небольшая игрушечная машинка сдвинулась вперед. Это моментально вызвало бурю восторга в зале и у самой девушки, что в свою очередь еще больше разогнало игрушку. Затем ведущий рассказал грустную историю. Смена настроения участницы немедленно заставила машинку откатиться назад. На этом «обучение» закончилось, и ведущий предложил девушке самостоятельно припоминать что-либо радостное или грустное из своей жизни и таким образом проехать на игрушечном автомобиле несложную трассу.

Зрители поудивлялись и забыли, а профессор Каплан спустя два года хотя и подтвердил большую часть своих первоначальных выводов, но все же отметил, что довольно высокий процент людей не в состоянии адаптироваться к управлению техническими устройствами посредством изменения своей ЭЭГ без помощи мышечного аппарата. И даже те, у кого это получается, не могут долго контролировать свое состояние. Очевидно, что такой способ управления роботами вряд ли годится для управления чем-либо более точным и сложным, чем игрушечный автомобиль.

Клаудиа Митчелл потеряла руку в ДТП и получила взамен «умный» протез, присоединенный к нервным окончаниям

Искусственная рука

Казалось, до решения вопроса управления эрзац-конечностями по-прежнему так же далеко, как и сотню лет назад. Между тем в Шотландии, а затем и в США давно проводят гораздо более сложные исследования, позволившие создать искусственную конечность, управляемую нервными импульсами, но тут уже не удалось обойтись без хирургического вмешательства. Изобретатели из Эдинбургского университета с типично техническим юмором назвали свое детище EMAS (Edinburgh Modular Arm System) — по имени прихрамывающей собаки одного из инженеров. Искусственную конечность, которая имела управляемые узлы в запястье, локте и плече, получил в 1993 году доброволец Кэмпбелл Эйрд (Campbell Aird), лишившийся руки из-за рака. К тому времени это был самый совершенный протез, его стоимость оценивается в 170 тысяч долларов. Он успешно прослужил 10 лет, после чего был взят разработчиками на модернизацию. Точность и качество исполнения механизмов и электроники можно оценить по тому, что Эйрд снова стал заниматься спортивной стрельбой и даже управлять спортивным самолетом. К сожалению, представители университета не опубликовали детальной информации об устройстве протеза. Известно только то, что для управления механизмами используются нервные импульсы в мускулах оставшейся части плеча. Возможно, поэтому данная разработка пока не заинтересовала ни один инженерно-медицинский концерн.

Американцы из Института реабилитации инвалидов в Чикаго повторили разработку шотландцев, но позаботились о более ярком освещении события. Они провели аналогичные операции пятерым мужчинам и одной женщине, по имени Клаудиа Митчелл, потерявшей руку в дорожной аварии. Министерство обороны США уже заявило о планах предоставлять роботизированные руки солдатам, покалеченным во время военных действий.

Потенциал действия нейрона

Нейрон — нервная клетка, через которую передается информация в организме. Она представляет собой морфофункциональную единицу центральной нервной системы человека и животных. Нейроны соединяются друг с другом посредством синапсов, которые делятся на возбудительные и тормозные. Активность первых увеличивает возможность разряда нейрона, активность вторых — снижает. При достижении некоторого порогового уровня возбуждения нейрон генерирует электрический импульс, называемый потенциалом действия. По образному сравнению, ответ нейрона на активность всех его синапсов представляет собой результат своеобразного «химического голосования». После импульса примерно на тысячную долю секунды нейрон становится недееспособным. Этот период нужен для восстановления ресурсов клетки. Совокупность электрической активности нейронов создает вокруг мозга и нервных волокон слабое переменное электромагнитное поле, которое можно регистрировать, например, при помощи электроэнцефалографа.

Ящик Харви

И все же электроэнцефалограф и оба варианта механической руки не так впечатляют, как прямое хирургическое вмешательство в черепную коробку. Как бы качественно ни выполнять съем данных при помощи ЭЭГ, этот метод не позволяет выделять сигналы отдельных нейронов. Даже хирургическая точность при сопряжении нервных окончаний с контактами электродов механической конечности обеспечивает лишь достаточно грубые реакции.

В начале 1980-х годов в американском Университете Джонса Хопкинса группа под руководством Апостолоса Георгопулоса (Apostolos P. Georgopoulos) стала проводить опыты по регистрации активности одиночных нейронов. После двух с лишним лет в экспериментах на моторной коре головного мозга макак было обнаружено, что активность некоторых нейронов меняется, когда обезьяна двигает рукой в определенном направлении. Каждый нейрон настроен на свое направление, вызывающее у него максимальную активность. При отклонении от этого направления активность клеток снижается пропорционально косинусу угла. Стало ясно, что можно с большой точностью расшифровать сигналы группы нейронов, отвечающих за движение конечности.

Однако более точных результатов нейрофизиологи не могли добиться очень долго. Применяемые в то время электроды внешне напоминали швейные иглы. Они могли эффективно работать лишь несколько часов, пока у их кончиков не скапливались химические компоненты клеток, из-за чего чувствительность катастрофически падала. Кроме того, острие электрода с относительно большим диаметром повреждало нейроны даже при незначительных смещениях головы. Поскольку клетки головного мозга не генерируют болевые импульсы, определить наличие повреждений по реакции подопытного животного практически невозможно — дискомфорта оно не чувствует.

Дистанционно управляемая мышь Хилари с видеокамерой на спине. Имплантированные в мозг электроды заставляют ее по команде менять направление движения

Только в 1990-х годах в Университете Ханеманна Мигель Николелис (Miguel A. L. Nicolelis) и Джон Чэпин (John K. Chapin) применили гибкие электроды с тефлоновым покрытием и диаметром острия около 50 микрон. Результат оказался ошеломительным: удалось снять данные сразу с 48 нейронов головного мозга крысы. Причем одновременно регистрировалось как восприятие сенсорной информации, так и ответная регуляторная активность. Через некоторое время инженер-электронщик Харви Уиггинс (Harvey Wiggins) сконструировал устройство, которое обеспечивало выборочный анализ, фильтрацию и усиление нейронных сигналов. Этот аппарат был окрещен американскими нейрофизиологами «ящиком Харви» по аналогии с «волшебным ящиком» иллюзиониста Гудини.

Ящик Харви продемонстрировал свои возможности в первом же эксперименте Джона Чэпина. Крысу с вживленными электродами поместили в клетку с небольшой педалью, при нажатии на которую появлялась порция воды и пищи. Когда крыса научилась обеспечивать себя кормом, педаль отключили, а вместо нее к дозатору кормушки подключили ящик Харви. После некоторого привыкания крыса стала управлять кормушкой прямыми сигналами мозга. Затем педаль убрали вовсе. Это заставило крысу изрядно понервничать, но через некоторое время ее мозг сгенерировал алгоритм, соответствующий нажатию на педаль. Образно говоря, животное «представило» процесс нажатия. И кормушка сработала.

Из шести подопытных крыс четыре успешно освоили новый метод кормления. Очевидно, что в применении к человеку возможности такой технологии вообще неограниченны. Нужно только разработать методику получения алгоритмов для любого действия или психоэмоционального состояния. Инвалид, который мысленно управляет искусственной конечностью, «продумывая» необходимое действие, — и это лишь снежинка на вершине айсберга.

Бразильский нейрофизиолог Мигель Николелис с коллегами из Гетеборгского университета в Швеции продолжил исследования на обезьянах. Сигналы имплантированных электродов использовались для управления искусственной рукой, которая успевала выполнить «представляемое» движение раньше, чем сама обезьяна! Обычное запаздывание между сигналом и реакцией животного составляет примерно 0,3 секунды, а ящик Харви срабатывал намного быстрее. Получилось, что искусственная рука может не просто заменить инвалиду потерянную, но и дать ему существенное преимущество.

Дальнейшие исследования стали все больше походить на добротный киберпанк. В июне 2004 года американские хирурги имплантировали в двигательную область коры головного мозга 24-летнего полностью парализованного человека микрочип BrainGate, разработанный в компании Cyberkinetics из города Фоксборо, штат Массачусетс. Крошечный чип дал парализованному человеку возможность управлять телевизором и компьютером — например, рассылать письма по электронной почте и даже играть в аркадные компьютерные игры. Управление возможно даже и в то время, когда парализованный занят чем-либо другим, например беседует или двигает головой. По словам разработчиков, это далеко не предел возможностей их технологии — чипы делались исключительно для предварительного тестирования.

Но, очевидно, не каждый пациент согласится на пусть и безопасную, но экспериментальную операцию. На это достойный ответ есть у специалистов Швейцарского федерального института технологий (Swiss Federal Institute of Technology). Им удалось обойтись восемью ЭЭГ-электродами, закрепленными в шапочке, — никаких имплантатов или вживленных электродов. Конечно, «чувствительность» этого аппарата намного ниже, поэтому директор института Жан-Альберт Феррез (Jean-Albert Ferrez) рекомендовал данную технологию исключительно парализованным ниже шеи, чтобы избежать общего «шума», создаваемого нервными сигналами от всего тела. Данных, снимаемых швейцарским прибором, хватает для уверенного управления инвалидной коляской. Однако с 2003 года никакой информации от института ни об успехах, ни даже о получении дальнейшего финансирования нет.

Роботизированный инструмент NeuroMate применяется для введения электродов глубоко в кору головного мозга

Моральный кризис будущего

Пока техника имплантирования чипов инвалидам развивается исключительно в лабораторных стенах, а поэтому практически не задевает общественное мнение. Научные и публицистические издания популярны в первую очередь среди достаточно образованных читателей, которые могут лишь приветствовать развитие возможностей медицины и терпимо относятся даже к самым подозрительным разработкам двойного назначения. Но истории с клонированием и стволовыми клетками наглядно выявили страх обывателя перед непривычным. Если помощь инвалиду еще может рассчитывать на безусловное понимание, то реакция общества на имплантаты «немедицинского назначения» непредсказуема.

Нынешние «моралисты» с негодованием бросаются на любую новацию, которая приводит к изменению норм поведения и привычных реакций на действительность. В частности, так поступают противники введения идентификационных микрочипов американской компании Applied Digital Solutions (ADS). Этот чип представляет собой индивидуальный номер носителя, связанный с базой данных, в которой содержится информация о человеке. Удобство таких «паспортов» доказано во время иракской кампании — британские спецподразделения используют вживленные под кожу чипы для быстрого поиска «своих», когда невозможно использовать обычные способы. Общество моментально разделилось на два лагеря. Рационалисты апеллируют, как ни странно, к гуманизму. Наиболее веский их аргумент — возможность своевременного оказания медицинской или иной помощи попавшим в беду людям, особенно когда сам больной не в состоянии сообщить врачам сведения о себе и своих родственниках. Безусловными же противниками оказались не только религиозные фундаменталисты, но и группа, которая апеллирует к свободе личности в целом и считает, что такая практика может привести к глобальной слежке.

Как ни странно, подобные страхи действительно рискуют дорасти до скандалов и подвигнуть правительства на запрет проведения операций даже в исследовательских целях. Пока еще никому из исследователей, обладающих информацией «из первых рук», не пришла в голову мысль спрогнозировать, к чему в реальности приведет распространение чипов, расширяющих возможности человека.

Фантасты часто обращают свои взоры в сторону киборгов и имплантатов. При этом обязательно рисуют совершенно ужасное будущее — всеобщий контроль, осложнения, опухоли, моральный кризис «усиленных» электроникой людей и т.д. Однако те же самые страшилки тиражировались при появлении радио, а затем телевидения. Сейчас людей пугают хакерами и интернетом. Да, любое вмешательство в тело человека всегда будет заставлять чувство самосохранения генерировать эмоции. Однако представьте себе человека, которому вживили микрочип, передающий десяток сигналов различной бытовой технике.

Размер чипа на 5–10 тысяч транзисторов будет исчисляться квадратными миллиметрами при толщине в десятые доли миллиметра — и это при очень грубой технологии 1980-х годов. Стоимость изготовления подобного чипа по готовой схеме на тайваньской фабрике Chianatech обойдется заказчику в пару тысяч долларов. За эти деньги вы получите оттестированную партию из 1 000 микросхем и всю необходимую документацию. При помещении такого чипа под черепную коробку он свободно разместится в любой жидкостной полости, а при возникновении проблем (воспаление, внутричерепное давление и т. д.) обычная больница обеспечит вам оперативную трепанацию — современные районные клиники с собственными хирургами постоянно проводят операции по удалению осколков жертвам ДТП так, что не остается даже шрамов.

Но, возможно, что даже таких операций не понадобится. В последнее время стали появляться отчеты об испытаниях «бесконтактных электродов», которые по принципу пеленг-локатора излучают в определенном диапазоне частот направленный сигнал и принимают «ответ». Если через 5 лет технология станет миниатюрной, то можно забыть и о хирургическом вмешательстве в головной мозг. Небольшой прибор будет сам сканировать определенные участки мозга, наподобие ЭКГ. Чип превратится в банальность — ведь сейчас никого не удивишь Bluetooth-гарнитурой за ухом. Новое устройство вряд ли будет кардинально от нее отличаться.

Генри Шеппард