Движение воображением. К активной жизни возвращает мысль.
Инфосфера
№ 33-34(2017)

25.08.2017

Застать летом на биофаке МГУ профессора Александра Каплана - несомненная удача. Месяца полтора, как он в разъездах: из одной командировки вернулся, в другую собирается. Поездки в основном на конференции, но удовольствие это дорогое, поэтому к ним добавляется посещение какой-нибудь продвинутой лаборатории и встреча с коллегами, а с ними предварительно нужно списаться - утрясти общие планы. Так что выезды за рубеж - дело непростое, и на самотек их пускать никак нельзя. Недавно руководитель лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов побывал во Франции и Бельгии, общался с известными исследователями. Сейчас собирается в Бразилию, на Всемирный физиологический конгресс. Для дальнего путешествия повод предостаточный, и все же Александр Яковлевич планирует не только сделать доклад на конференции, но и встретиться с одним из первооткрывателей технологии нейроинтерфейсов Мигуэлем Николелисом. А осенью в очередной раз отправится в США, в Университет Южной Калифорнии, - проводить совместные эксперименты. Заметим, что все посещаемые А.Капланом ученые, как и он сам, ведут прорывные исследования в широкой области нейротехнологий, о которых и пойдет речь. Но начнем с начала: как получилось, что ученый стал заниматься этой тематикой?

- Ответ простой: еще студентом я начал изучать механизмы мозга и в последние 15 лет стараюсь воплотить эти знания в нейротехнологии, - говорит Александр Яковлевич. - Это не только приложения в медицине, но и новая парадигма познания мозга. Основной способ наблюдения за его активностью - регистрация электрических сигналов мозга (ЭЭГ). Их можно использовать для диагностики и как сообщение внешним исполнительным системам - компьютерам и тренажерам. Простейший пример: мы хотим переключить канал телевизора, а пульт куда-то подевался, но он и не понадобится - ведь сделать это можно одной лишь силой мысли. Наше намерение нажать определенную кнопку на пульте с помощью компьютера удастся расшифровать по изменениям в ЭЭГ, а дальше дело техники - преобразовать данные в радиокоманду для встроенного в телевизор переключателя каналов. Это совершенно новый способ управления: непосредственно от мозга через компьютер к исполнительным механизмам - такова технология “интерфейс-мозг-компьютер”. Теперь нейроинтерфейс следит за изменениями в ЭЭГ и определяет, каким исполнительным устройствам: компьютеру, телевизору, манипулятору - адресовать команды мозга. Понятно, что сложная эта технология предназначена не здоровым людям, а пациентам с тяжелыми нарушениями речи и движений после инсультов и нейротравм. И задача нейроинтерфейсных технологий - как можно точнее, быстрее преобразовать намерения человека и передать соответствующим устройствам и тренажерам.

- Но каждый ли больной способен концентрировать мысли, чтобы вы смогли распознать его намерения? 

- Даже здоровому человеку непросто мобилизоваться и четко представить, например, движение собственной руки, но эти навыки можно развить. Пациентам нужно проявить волю, четко понимая: нейроинтерфейсные технологии для них - своего рода костыли: они помогают им управлять, например, инвалидной коляской, тренажерными устройствами, приводящими в движение парализованные конечности, или коммуникаторами, позволяющими, не прикасаясь к клавиатуре, набирать текст. 

- А мозг готов к экспериментам, он сумеет отразить намерения человека? 

- Это краеугольный вопрос (и мы к нему еще вернемся). Здесь многое зависит не только от продвинутости наших алгоритмов расшифровки ЭЭГ, но и, как я уже говорил, от волевых установок пациента, от того, как он выражает потребности в коммуникации и действии. Наши испытания подтверждают его готовность. Что касается коммуникационных технологий, то почти все пациенты, а их более 30, с тяжелыми нарушениями после инсульта или травмы спинного мозга (мы работали с ними в университетской клинике и реабилитационном центре) смогли выработать навык набора текста усилиями мысли, фокусируя внимание на нужной букве. Понятно, что пациенты разные, каждый со своей историей болезни. Спинальные - в основном молодые люди - делают все, чтобы вернуться к активной жизни, и у них это получается, поскольку их головной мозг не поврежден. А пережившим инсульт людям в возрасте труднее справиться с депрессией и обрести достаточную мотивацию, но наши технологии помогают им поверить в себя. Мы благодарны всем пациентам, принявшим участие в исследовании: лаборатория получила возможность совершенствовать методы, чтобы через год-другой выдать первые сотни готовых коммуникационных комплексов. 

Не менее важны технологии “мозг-компьютер”: они приводят в движение конечности парализованных пациентов. Для этого мы расшифровываем их намерения, преобразуем в команды для экзоскелетных устройств, которые закрепляем на конечностях, - и они начинают двигаться. Как показывают клинические испытания на более чем 100 пациентах под руководством профессора А.Фролова из Московского областного научно-исследовательского клинического института им. М.Ф.Владимирского, нейроинтерфейсные технологии почти во всех случаях демонстрируют терапевтический эффект. Но при условии, что больные проявляют достаточные волевые усилия. 

Недавно мы стартовали с новым проектом - “НейроЧат”. Его цель - создание практичного и недорогого нейроинтерфейсного комплекса, который позволит пациентам с тяжелыми нарушениями речи и движений не просто набирать текст для общения с доктором, а полностью подключиться к Интернету. Для этого на голову пациента наденут шапочку с электродами для измерения ЭЭГ. Сигнал от электродов передадим компьютерному планшету, укрепленному на кровати или инвалидном кресле, и он тут же через Wi-Fi будет обрабатываться, расшифровываться и приводить в движение экранные объекты, например кнопки набора букв, вызова медперсонала, получения-отправки сообщений и т.д. От больного потребуется только сфокусировать внимание на нужной ему в данный момент кнопке на экране планшета. Даже неподвижный, не владеющий речью пациент, но, как мы говорим, когнитивно сохранный, то есть понимающий, что ему говорят, с помощью “НейроЧата” сможет получать, набирать и отправлять сообщения. 

- Но как расшифровать намерения пациента, ведь в его голове звучит целый “оркестр” из мыслей и желаний?

- Оркестр для нас не проблема, даже если в нем тысячи музыкантов: современные методы анализа сигналов позволяют выделить звук каждого инструмента. Другое дело мозг человека - здесь одновременно “звучат” 86 миллиардов нервных клеток. Попробуй разберись! Приходится провоцировать мозг на реакции, чтобы “поймать” его на заинтересованности к определенному раздражителю. Оказалось, что реакции на них несколько отличаются. И как это ни сложно, мы все же догадываемся, например, о задуманной пациентом букве более чем в 90 случаях из 100. То же и с воображением движения: испытуемый должен многократно его представить, чтобы в “какофонии” колебаний ЭЭГ определить различия. Пока это удается нам с меньшей надежностью: 70-85 шансов из 100. 

- Сколько лет потребовалось, чтобы разработать методы расшифровки ЭЭГ?

- На создание надежного метода, как правило, уходит три-пять лет.

- На каком уровне находятся ваши исследования?

- Несколько лет назад на конференции в Австрии исследователи демонстрировали свои нейроинтерфейсные технологии, соревнуясь в точности и быстроте определения намерений при наборе букв. Мы оказались первыми, но, думаю, нам просто повезло, поэтому скажем так: если мы и не опережаем коллег, то находимся на мировом уровне. Замечу, что в РФ есть специалисты, занимающие те же позиции. Наши статьи публикуют рейтинговые зарубежные журналы, мы делаем доклады на международных конференциях. Но, к сожалению, достижения российских ученых ограничиваются узкими областями. Мы, в частности, не исследуем возможности инвазивного подхода, когда регистрация активности мозга ведется прямо с его поверхности (через отверстие в черепе) или из структур, например, гиппокампа, связанных с формированием пространственной памяти. Американским коллегам это позволило создать систему управления манипулятором - и теперь парализованные люди подносят ко рту стаканчик с напитком. А мы даже не подступаемся к этой технологии. 

- Почему? 

- Причин несколько: главное - нас слишком мало. В Европе и Америке лабораторий, занимающихся нейроинтерфейсными технологиями, сотни, а у нас и десятка не наберется. Пятнадцать лет назад страны Азии по нейроинтерфейсной тематике не напечатали ни одной статьи, а теперь их сотни. Другая проблема - явно недостаточное финансирование всего направления. 

- Как раз хотел спросить: кто вас поддерживает? Ведь разработка таких технологий - дело наверняка затратное, а ваши пациенты - люди не самые богатые. 

- Да, дороги оборудование, труд программистов, математиков, инженеров и самих нейрофизиологов. Но лично я не могу пожаловаться на отсутствие средств. На биофаке МГУ им. М.В.Ломоносова, где я учился, есть все условия для работы. Уже много лет мои заявки на гранты различных фондов хотя и с переменным успехом, но все же выигрывают конкурсы. Еще в 1996 году одним из первых получил грант РФФИ - и это дало импульс к развертыванию работ по компьютерному анализу ЭЭГ. Нас поддержал Фонд “Сколково”, а за ним и Российский научный фонд. В прошлом году моя лаборатория совместно с компанией-соинвестором победила в конкурсе и получила грант проекта Национальной технологической инициативы на создание технологии “НейроЧат”, о которой я говорил.

Для моей лаборатории ситуация вроде бы благополучная: мы разрабатываем конкретные ориентированные приложения, поддержанные фондом, но... все меньше времени уделяем фундаментальным исследованиям, в которых, получается, заинтересованы лишь мы сами. И еще одна, стратегически важная проблема: при всем внешнем благополучии у нас не хватает ресурсов для привлечения на постоянные позиции профессиональных молодых специалистов, поскольку мы ограничены рамками грантов, рассчитанных лишь на два-три года. К этому добавляется еще и “квартирный вопрос” - неразрешимая преграда для приехавших из других городов. И в итоге более половины моих аспирантов, защитив кандидатские диссертации, трудятся за рубежом. 

- И как они там устраиваются?

- По моим наблюдениям, в самый активный период жизни большинство с удовольствием работает на постдоковских позициях. Но лишь единицы становятся профессорами. Многие даже до 50 лет вынуждены покидать большую науку. У нас в этом возрасте научные сотрудники трудятся в полную силу. 

- Вы работали в нескольких странах, а почему, если позволите спросить, там не остались?

- Да, у меня были контракты в Японии, Индии, Южной Корее, в Европе и США, но я всегда дорожил своим местом на биологическом факультете Московского университета. Все эти годы оставался руководителем своих студентов, аспирантов, сотрудников и, когда контракты были длительными, каждые два-три месяца возвращался в МГУ на неделю - как к себе домой. К тому же быстро познакомился с реалиями жизни за рубежом - и для работы на постоянной основе они меня не вдохновляли. 

- Что в ваших дальнейших творческих планах?

- Сегодня в нейротехнологиях объединяются новейшие достижения науки о мозге, прорывные исследования в микроэлектронике и вычислительной технике, с подключением математики, лингвистики, психологии. И это как нельзя кстати, поскольку лавины мультимедийной информации, нездоровая экология, психические нагрузки, повышенная ответственность за принятие решений... выводят на первый план задачу сохранения и увеличения ресурсов мозга. Ведь наш мозг фактически завершил свою эволюцию на этапе существования кроманьонского человека - еще 50 тысяч лет назад, то есть фактически приспособился к жизни человека, очень далекого от мира, насыщенного машинами и информацией. Понятно, что современные условия иной раз ставят мозгу непосильные задачи. Для изучения его ресурсов ведущие страны в последние годы выделили уже более 50 миллиардов долларов. И одним из перспективных направлений могут стать нейроинтерфейсные технологии, позволяющие мозгу адаптироваться к прямому использованию внешних устройств памяти и быстрых вычислений, что существенно расширит его когнитивные ресурсы. Так что уверен: физикам, математикам, лингвистам, материаловедам и нам - нейрофизиологам будет еще где развернуться. 

Юрий Дризе 

Фото предоставлено А.Капланом 


Вернуться к статье