Знание-сила, 2008 № 03 (969)

Жизнь всегда начинается заново

Крымский город Саки. Сюда съезжаются со своими колясками «спинальники» со всего Союза. Молодцеватые, нервически веселые лица мужчин и женщин. Оживленные разговоры, пока еще не кончилось это лето, очередное лето надежды. А сколько людей могут только мечтать о том, чтобы когда-нибудь приподняться с кровати, проехать по городу не в праздничном экипаже — в коляске! Сколько мерит свое ожидание временем жизни, не в силах даже шевельнуть рукой или сказать хоть слово своим близким или врачу?!

Многие тысячи людей во всем мире оказываются полностью парализованы вследствие несчастного случая или тяжелой болезни. Непоправимо? Но ученые давно мечтают о том, чтобы научиться заменять поврежденные из-за травмы или недуга участки головного мозга электронными микросхемами. Если подобные операции войдут в практику, то слепым можно будет возвращать зрение, глухим — слух, а больным, прикованным к постели параличом, — способность жить почти полноценной жизнью, управляя одним усилием мысли окружающими их предметами — прежде всего компьютером и инвалидной коляской.

Сейчас более сотни научно-исследовательских групп в разных странах мира проводят эксперименты по подключению головного мозга подопытных животных или добровольцев к компьютеру, то бишь создают Brain- Computer-Interfaces, Интерфейс: компьютер-мозг. Цель: научить машину повиноваться мыслям человека.

Некоторые из проводимых опытов могут показаться на первый взгляд странными. Так, Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии, изучив с помощью сенсоров активность нервных клеток в головном мозге крыс — прежде всего в одном из его отделов, гиппокампе, хранилище воспоминаний, — удалил оттуда часть клеток и встроил их в искусственную сеть, состоявшую из электродов и миниатюрного процессора. В этом опыте Бергер намеревался выяснить, могут ли сообща работать клетки мозга крысы и его скромное подобие — кремниевая микросхема. «Главное, что меня интересовало, так это будет ли электронная микросхема реагировать на сигналы, адресованные клеткам гиппокампа. Ответ: да. Все функционировало отлично, — пояснял исследователь. — Этот опыт доказывает, что отдельные части мозга можно заменять микросхемой, и он будет работать, как прежде».

Так что, вполне возможно, со временем появятся нейропротезы, которые возьмут на себя функции поврежденных участков мозга человека. Последствия беды можно хотя бы смягчить — вернуть людям возможность общения с окружающими, в этом все больше уверены ученые, занятые исследованиями головного мозга. К нашей кладези памяти, к этому банку бесценных знаний, что каждый носит с собой, при усилии можно подобрать ключи, если научиться следить за активностью его нервных клеток и правильно истолковывать поступающие сигналы.

Если XIX век был временем величайших достижений исторической лингвистики, научившей нас понимать мертвые, казалось бы, языки многих древних культур, то век XXI может стать временем нейролингвистики — мы научимся понимать язык нервных клеток мозга, вроде бы такой же недоступный нашему разумению, как и наречия вавилонян или египтян. Скрытое навеки в глубинах мозга понемногу открывается исследователям, как предстало перед ними то, что было, как будто, утеряно навсегда в дали времен.

Выделяются два способа подслушивать то, что немо вспыхивает и гаснет в глубинах мозга. Первый — расположить «микрофон» непосредственно под сводом черепа. Так, американская фирма «Киберкинетикс» разработала микросхему, которую можно имплантировать в тот отдел коры головного мозга, что управляет нашими движениями. Ее миниатюрные электроды улавливают нервные импульсы, с помощью которых здоровые люди командуют своим телом, а затем процессор преобразует их в электрические сигналы, чтобы можно было управлять компьютером или рукой робота. «В принципе курсор монитора можно перемещать не с помощью компьютерной мыши, которую вы держите в руках, а лишь одним усилием мысли», — поясняет основатель фирмы Джон Донахью. Подобные микросхемы могли бы значительно облегчить жизнь людям, перенесшим инсульт, попавшим в тяжелую автомобильную аварию или страдающим от неизлечимого нервного заболевания.

В июле 2006 года журнал Nature даже вынес на обложку очередного номера портрет 25-летнего американца Мэтью Нэгла, самого знаменитого «киборга» мира. После полученного удара ножом тот сохранил способность лишь шевелить головой. Согласившись участвовать в эксперименте, проводимом университетом Брауна, Мэтью разрешил имплантировать себе в участок коры головного мозга, отвечающий за двигательные функции, микросхему фирмы «Киберкинетикс» размером 4 на 4 миллиметра. Сигналы передавались по кабелям, выведенным наружу и присоединенным к компьютеру. Над головой пациента на добрый десяток сантиметров возвышался разъем, из которого тянулись проводки. Процессор же, подключенный к нему, был размером со стол. Это оправдывалось лишь тем, что даже с необычным протезом Нэгл не мог бы подняться на ноги. Пациент прожил с ним более девяти месяцев, пока аппарат не вышел из строя. «Впервые нам удалось в течение столь длительного времени точно фиксировать активность нервных клеток мозга», — отмечает один из руководителей эксперимента.

Мэтью Нэгл

Компьютер обрабатывал полученные сигналы активности головного мозга и преобразовывал их в электронные команды. С их помощью Нэгл научился перемещать курсор компьютера, открывал электронную почту, включал телевизор, разжимал и закрывал захват механического протеза руки и играл в простые компьютерные игры, например, в «Тетрис», — все это лишь усилием мысли. Впрочем, точность команд иногда страдала: в среднем одна команда из пяти, отданных Нэглом, не выполнялась.

Машина четко выявляла противоречия и недостатки нашего мышления. Так, мало подумать «повернуть влево», чтобы курсор последовал этому воображаемому призыву. Компьютер ждет от человека реального, ощутимого намерения. Нужно мысленно пошевелить левой рукой, согнуть ее пальцы, напрячь мышцы, чувствовать, как компьютерная мышь прижимается к руке. Так что от одной лишь мысли о «левой руке» курсор еще неизвестно куда перемахнет, — может быть, вправо, если вы, отдавая приказ, невольно взглянули, например, на свою правую ногу и бессознательно, не отдавая себе отчета, представили, как она шевельнулась.

Недостаток самого эксперимента, в котором участвовал Нэгл, очевиден, ведь пациента легко могли инфицировать — в течение нескольких месяцев в его черепе зияло отверстие. До сих пор известны лишь отдельные примеры удачного вживления электродов в человеческий мозг. Опыты на животных к тому же показали, что вероятность отторжения имплантата очень высока. При первом же контакте с чужеродным телом нервная ткань защищается. Вокруг него вырастает экран из соединительной ткани. Электрод перестает проводить электрические сигналы.

И все же, по оценкам исследователей, уже к 2010—2012 годам этот метод можно будет применять в клиниках — при условии, что будут разработаны беспроводные системы передачи нервных импульсов в операционную систему компьютера. Благодаря протезу мозг человека, бессрочно заключенного в тюрьму своего тела, может выбраться на свободу, начать снова изъясняться на понятном всем языке.

Другой пример подхода к лечению подобных больных — «машина для чтения мыслей». Электроды, прикрепленные к голове человека, непрерывно снимают его электроэнцефалограмму и передают ее на компьютер, в памяти которого хранятся характерные образцы активности мозга, например, этот узор ЭЭГ соответствует движению руки, этот — ноги. В одном случае, допустим, включатся приборы, присоединенные к компьютеру, в другом — сдвинется с места инвалидное кресло.

После тренировки — а она длится порой месяцами — пациенты приучаются перемещать курсор компьютера одним напряжением мысли и могут даже общаться по интернету, выбирая буквы и складывая из них слова. Впрочем, последнее требует заметных усилий, ведь скорость письма составляет в среднем одну букву в минуту. Движения совершаются с большим запозданием. Время словно замирает для этих больных, не спешит никуда — даже при появлении цели. Ждать, когда сбудется задуманное, надо долго.

Вообще же результаты работы исследовательских групп очень разнообразны. Насчитывается около десятка сигналов головного мозга, которые можно использовать, чтобы управлять с их помощью компьютером. Вот некоторые из них.

• Потенциалы отдельных нейронов или небольших групп клеток. Как и в случае с Нэглом, они фиксируются с помощью электродов, имплантированных в головной мозг.

• Сигнал Р300. Головной мозг реагирует на неожиданное раздражение с некоторым запозданием — примерно в 300 миллисекунд. Это хорошо видно на энцефалограмме. В эксперименте, который провел американский исследователь Эмануэль Дончин, удалось, используя этот сигнал, повысить скорость компьютерного письма, то есть перемещения курсора мысленным усилием. На экране монитора поочередно загорались буквы, и когда человек видел ту самую букву, которую хотел написать, его мозг возбуждался, и электроды фиксировали этот сигнал. Нужная буква оставалась на экране. Начинался поиск следующей.

• Сенсоромоторный ритм (колебания частотой 10 — 20 герц). Его можно фиксировать методом магнитной энцефалографии и электроэнцефалографии. В принципе данный ритм — это «сигнал бездействия». Если, например, измерять активность той части мозга, которая контролирует движения, совершаемые правой рукой, то этот ритм будет максимальным, когда испытуемый не станет шевелить ей. Стоит ему лишь представить себе, что в эту секунду он поднимает правую руку, как сигнал пропадет.

Методы наблюдения за глубинами мозга становятся все изощреннее. «Электроэнцефалограмма — это что- то вроде самолета братьев Райт, а мы летаем уже на F-16», — иронично замечает Дэниел Моран, руководитель эксперимента, проводимого в Вашингтонском университете. Здесь с помощью специального имплантата — тончайшей сетки размером 8 на 8 сантиметров, наносимой на поверхность мозга, — можно транслировать слабые нервные импульсы непосредственно в компьютер. Уже после часовой тренировки четверо участников эксперимента играли в простенькие компьютерные игры.

Еще одно направление исследований — электростимуляция рук или ног. Участники этих экспериментов, лишенные возможности двигаться, мысленно управляют не курсором компьютера, а движениями мускулатуры. Электроды, прикрепленные, например, к ноге пациента, передают нервным волокнам мышц от 20 до 50 электрических импульсов в секунду. Под их действием мышцы здорового человека сокращаются. В данном случае очень важно соблюсти правильный порядок сигналов, иначе движение не состоится. Уже первые эксперименты показали, что электроды нужно имплантировать непосредственно в головной мозг и мускулатуру пациентов, поскольку в противном случае движения получаются очень неточными.

Американские исследователи еще в 1990-е годы разработали систему под названием «Freehand». Она соединяет части нервного тракта, перерезанного вследствие болезни или травмы. С помощью микроскопа электроды с точностью до миллиметра размещают на мышцах парализованной руки. Сенсоры, расположенные, например, на плече пациента, регистрируют нервные сигналы — те команды, которым не может подчиниться рука. В ответ на это раздражение блок управления системы поочередно включает те или иные электроды, вызывая сокращения мышц. Рука вновь оживает, начинает двигаться, совершает хватательные движения, например, берет стаканы или тарелки. Разумеется, пациенту предстоит долго учиться тому, как целенаправленно передавать нервные импульсы.

Сейчас это — самый распространенный в мире нейропротез. В общей сложности им пользовались более 320 человек. Однако даже для того, чтобы научиться простейшим движениям, требовалась длительная тренировка. Многие пациенты теряли, в конце концов, терпение. Дальнейшие работы над этим протезом были прекращены.

Тем не менее в перспективе создание более сложных протезов, которые помогут больным передвигаться без костылей. Идея та же — детально изучить взаимодействие мышц человека при ходьбе, а потом, имплантировав электроды в мускулатуру ног пациента, возбуждать мышцы в той же последовательности. Ими можно управлять с помощью особой программы — «алгоритма ходьбы». Разумеется, здесь еще более важна координация движений. Если она будет соблюдена, пациент начнет расхаживать по комнате с осторожностью робота. Для человека, лишенного возможности двигаться, это неуклюжее переминание с ноги на ногу станет поистине счастливым поворотом в жизни, «вторым рождением».

Компьютеры возвращают способность не только двигаться, но и чувствовать. Есть две принципиально разные идеи создания протезов для слепых. В одном случае, если у человека вследствие болезни отмирает сетчатка глаза, ее может заменить микросхема, размещенная позади нее. Кремниевые фотодиоды придут на смену фоторецепторам глаза. Они преобразуют свет в электрический ток, возбуждающий зрительный нерв, а затем импульсы пересылаются в головной мозг.

В другом методе используют видеокамеру, помещая ее, например, в оправе очков. Миниатюрный компьютер преобразует изображение в сигналы, которые поступают в микросхему, встроенную в сетчатку глаза. Далее схема та же: зрительный нерв, головной мозг.

В США некоторым слабо видящим пациентам уже имплантирован протез сетчатки. Теперь они могут даже различать буквы, правда, не все. Недостаток данной модели в том, что она работает лишь при ярком освещении, но, как полагают, через пару лет появятся имплантаты сетчатки, которые помогут их обладателям ориентироваться и в полутемных помещениях, и в час сумерек.

По схожему принципу устроены и протезы внутреннего уха. Они преобразуют звуковые волны в электрические импульсы, которые возбуждают слуховой нерв. Этого, впрочем, недостаточно, чтобы распознавать речь. Нужен дополнительный процессор речи, который фильтрует окружающие шумы и выделяет слова, произнесенные на их фоне. Этот процессор носят за ухом, как обычный слуховой аппарат.

Пока многие нейропротезы находятся в стадии разработки. Их нормальная работа зачастую зависит от таких субъективных факторов, как рост и вес пациента. В ближайшие десятилетия появятся куда более изощренные системы, которые, хоть и не принесут окончательного исцеления, намного облегчат жизнь больных.

Итак, какое бы направление современной нейрологии мы ни взяли, идет ли речь о восстановлении некоторых утраченных функций головного мозга или же о чтении мыслей, ученые вновь и вновь убеждаются, насколько сложным органом является наш мозг, венец эволюции. Сравнивая современную компьютерную технику с этим «аппаратным обеспечением», получаемым нами от рождения, мы опять же понимаем, насколько последнее — тот самый мозг — совершеннее и гибче техники, которую мы придаем ему в подспорье. Даже мозг скромной мухи превосходит многие компьютерные системы в умении быстро и точно рассчитать необходимые параметры приземления на крохотном участке пространства. Если соотнести эффективность работы этого миниатюрного счетного устройства, спрятанного в голове мухи, с его массой, то с этим органом тела насекомого и близко не сравнится любой, самый мощный компьютер, которым располагают лучшие военные и научные центры мира.

Что уж говорить о человеческом мозге, этом сложнейшем агрегате, об аналоге которого потомкам остается только мечтать! Эти сто миллиардов нервных клеток — их едва ли не больше, чем звезд в Галактике — эта «вселенская паутина нейронов», притаившаяся под сводом черепа каждого человека, еще долго будет изумлять тех, кто примется изучать, как рождается мысль. И все-таки даже лучший в природе компьютер — «живую машину мозга» — можно переналаживать, обновлять, используя ее потаенные ресурсы. Как ни совершенен человек, но и он в крупнейших научных лабораториях мира — всего лишь «модель для сборки». Чем еще удивят нас вести из этих лабораторий? Даже в самых безнадежных ситуациях жизнь всегда начинается заново.

Идет подготовка к операции на головном мозге

Летом 2007 года в шотландском Ливингстоне был продемонстрирован первый протез руки, все пальцы которого могут двигаться независимо друг от друга, ведь каждый из них снабжен миниатюрным двигателем. Протез управляется электрическими сигналами, возникающими в мышцах культи руки. Особо чувствительные электроды, расположенные на поверхности кожи, фиксируют эти сигналы. Другое преимущество этой руки, разработанной фирмой Touch Bionics, в ее модульном строении: если один из пальцев сломается, его можно заменить другим. По словам создателя протеза Дэвида Гоу, научиться им пользоваться можно в течение нескольких минут.

По методу, предложенному японскими учеными, можно с помощью одной-единственной донорской роговицы помочь 20—40 больным. Офтальмолог Теруо Окано разрезает донорскую роговицу на крохотные дольки и помещает их в питательный раствор, где в течение двух недель они разрастаются, достигая полутора сантиметров в поперечнике. Подобную роговицу можно пересадить пациенту всего за пять минут, причем ее не нужно пришивать — нет, она быстро срастается сама. Это позволяет избежать инфицирования больного, а также — отторжения роговицы.

Любой из нас может поучаствовать в «сборке своего тела» уже сейчас — достаточно лишь обратиться к пластическому хирургу. Рекламу подобных клиник легко найти на страницах популярных изданий. О людях этой профессии показывают фильмы по телевидению, к их услугам, уверяют нас, прибегает вся «гламурная элита мира сего». Так что нам, полуфабрикатам, прямая дорога — копить деньги и выбирать нужную клинику, менять свой body-code, «код тела».

Однако очень часто надежды пациентов, решившихся на пластическую операцию, остаются обмануты. И дело тут не в квалификации хирургов, а в завышенных ожиданиях пациентов. Они рассчитывали, что после операции станут другими людьми. У них же лишь слегка изменится внешность, причем многие даже не обратят внимания на эту «косметическую правку» или не оценят ее. Вскоре после операции некоторые вновь примутся ненавидеть свое тело, думая, что это оно одно мешает им радоваться жизни. Так что, как шутит один из модных в Европе мастеров скальпеля Вернер Манг, «если кто, может быть, и бывает счастлив после такой операции, так это сам пластический хирург, и уж, конечно, беднее он от этого не становится».

Стоит добавить, что подобные операции очень выгодны, а потому ими рискуют заниматься даже малоподготовленные люди. К примеру, в Германии каждая десятая «модная операция» оказывается неудачной. По некоторым оценкам, лишь каждый двадцатый практикующий пластический хирург в этой стране имеет необходимую для этого квалификацию. Можно предположить, что в наших российских реалиях последняя цифра окажется на порядок ниже.

Тот же Вернер Манг в интервью журналу «Р. М.» признался, что четверть всех операций, проводимых в его клинике, — это попытка устранить вред, причиненный каким-нибудь неумелым хирургом. «Вы и представить себе не можете, как порой измываются над телом пациента горе-врачи. Я как-то извлек из груди женщины... мочалку — ее запихнули туда вместо силиконовой подушки во время дешевой операции, проведенной где-то за границей». Можно долго перечислять последствия таких операций: свищи в животе после неудачных подтяжек, паралич отдельных лицевых мышц после лифтинга, нарушения зрения и косоглазие после «косметической правки» век, рубцы, напоминающие лунный ландшафт после удаления жира, потеря обоняния после изменения линии носа или «усыхание сосков после операций на груди» (В. Манг). Люди, мечтавшие стать «молодыми и красивыми», становятся «уродливыми и больными».

«Я могу только сказать: будьте осторожны с пластической хирургией!»