Поиск - новости науки и техники

Действие мыслью. Уникальная технология вернет больным людям способность к движению

Об Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН “Поиск” пишет часто, потому что всегда есть о чем рассказать читателю. Сегодняшняя тема стоит особняком – речь пойдет о применяемых на Земле космических разработках, которые помогают инвалидам обрести возможность двигаться.О них рассказывает заведующая отделом сенсомоторной гравитационной физиологии и профилактики ИМБП член-корреспондент РАН Инеса ­ Козловская.

– Люди, потерявшие способность двигаться, есть в любой стране мира – беда эта общая, – отмечает Инеса Бенедиктовна. – Скажем, в Швеции инвалиды составляют 14% населения, в Финляндии и Польше – 10%, в Великобритании и Испании – 3%. В России их 8%. В нашей стране среди основных причин, приводящих к инвалидности, преобладают сосудистые, инфекционные (в основном вирусные) заболевания и травмы. При этом из-за патологии нервной системы более 50% пострадавших – моложе 45 лет. А восстанавливаются, увы, лишь очень немногие. Так, после инсульта к труду возвращаются только 20,2% работавших, а полной реабилитации достигают всего 8%. Между тем реабилитация очень выгодна экономически. По данным США, за один год ее эффективность превышает затраты в 10 раз – за счет снижения расходов на содержание инвалидов, уход за ними и приобщения (в той или иной степени) к трудовой деятельности.
Наш институт по инициативе вице-президента РАН А.Григорьева разработал программу исследований – создание новых средств и методов помощи инвалидам. Ее поддержал РФФИ: в 2011 году по линии ОФИ (“Ориентированные фундаментальные исследования”) фонд выделил нам грант на 30 миллионов рублей в год. Помимо ИМБП в работе над проектом участвуют академические организации: Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (Москва), Институт физиологии им. И.П.Павлова (Санкт-Петербург), Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша и Институт проблем передачи информации (Москва), Институт прикладной физики (Нижний Новгород), а также ряд ведущих реабилитационных центров Москвы, включая Институт неврологии, кафедру неврологии Второго меда и другие. В 2013 году РФФИ продлил действие гранта еще на три года.
Когда я пришла работать в ИМБП, то была классическим фундаментальным нейрофизиологом. Но случилось так, что мне пришлось решать вполне конкретные задачи, связанные с созданием средств и методов, сохраняющих здоровье и работоспособность космонавтов в условиях невесомости. А в первые годы освоения космического пространства она преподнесла очень неприятные сюрпризы. Выяснилось, что гравитация абсолютно необходима для нормальной деятельности основных систем организма, а при увеличении длительности пребывания человека в космосе ее отсутствие действует на него разрушительно. Возникает опасность не только для его здоровья, но и для жизни. Космонавты А.Николаев и В.Севастьянов пробыли на орбите 17 суток и вернулись на Землю в тяжелом состоянии (1970 год). Проблема оказалась настолько серьезной, что, несмотря на сложную международную обстановку, результаты экспедиции широко обсуждались мировой общественностью. А обе космические державы, СССР и США, ограничили полеты, бросив все силы на изучение природы негативных влияний невесомости на человека и разработку систем профилактики. Задача была сложной и многогранной. Исследования шли в двух неразрывно связанных направлениях: развивалось фундаментальное – гравитационная физиология и прикладное – космическая медицина.
Специалисты нашего ИМБП занимаются обеими сферами. И убедились, что знания, добытые в области гравитационной физиологии, могут быть полезны не только в космосе, но и на Земле, в частности, для разработки технологий нового поколения – средств и методов помощи инвалидам. Они позволяют вернуть инвалидам возможность движения, утраченную в результате черепно-мозговых или спинальных травм, инсульта и др. Так возникла новая область реабилитации “Космическая нейрореабилитация”, получившая в 2012 году Всероссийскую премию “Первого канала” телевидения за развитие новых направлений в медицине. Оценив важность и перспективность таких исследований, РФФИ выделил 30-миллионный грант на создание новых технологий в нейрореабилитации.
Расскажу об одной части проекта – методе реабилитации “интерфейс мозг-компьютер” (ИМК). Смысл этой разработки состоит в создании “компьютерного моста” между мозгом, формулирующим команду к действию, и исполнительным органом – рукой, ногой или замещающими их устройствами – протезами, экзоскелетами, миостимуляторами. Еще вчера главная идея “моста” – возможность мысли управлять действием – представлялась просто сказочной, но сегодня становится реальностью. Основой для разработки “компьютерного моста” стали достижения в исследованиях физиологии мозга, выявившие наряду с относительно жесткой топографической организацией коры головного мозга – основного когнитивного центра – свойства удивительной пластичности этой топографии. Оказалось, что в условиях выпадения той или иной области коры и, соответственно, ее управляющих возможностей вследствие травмы, заболеваний или по другим причинам центральная нервная система обладает способностью переадресации этой функции другим отделам мозга.
В основе этой переадресации лежит открытый выдающимся русским ученым И.Павловым механизм условного рефлекса, обеспечивающий закрепление новых связей при постоянном сочетании во времени двух событий, двух сигналов. Очевидно, что условный рефлекс составляет основу двигательного обучения и в случае нормы, и при наличии патологии. Существование этих двух механизмов, закономерности их реализации, а также развитие компьютерных технологий и позволили приступить к созданию ИМК.
Принцип его работы заключается в следующем: в случае выпадения функций отдела коры головного мозга, управляющего теми или иными движениями, при необходимости совершить это движение активизируются другие области коры, в нормальных условиях помогающие построению движения. Активация клеточных элементов коры – нейронов – сопровождается появлением специфических сигналов, формирующих нейрограмму (если регистрация проводится непосредственно от популяции нейронов) или электроэнцефалограмму (если сигналы регистрируются с кожной поверхности головы). Причем, как оказалось, эти сигналы имеют специфический для каждой моторной команды рисунок. Современные компьютеры способны в предельно короткие временные интервалы его распознать и трансформировать в моторную команду для внешнего устройства, будь то экзоскелет, протез или стимулятор. При повторении этих сочетаний связь закрепляется, и через некоторое время новый, неповрежденный участок коры головного мозга оказывается способным управлять устройством.
В коротком изложении такая система выглядит очень просто. Однако на деле ее создание требует чрезвычайных усилий физиологов и технических специалистов. Как мы говорили выше, в системах ИМК для управления используются две группы сигналов, регистрируемых с поверхности кожи головы (ЭЭГ) и непосредственно от нейронов (нейрограмма). Второй способ предполагает вживление регистрирующих активность микроэлектродов в кору головного мозга. При этом получаемые от нейронов сигналы являются более специфичными и прочно связаны с источником моторной команды. В случае использования в качестве управляющего сигнала ЭЭГ – поверхностный ИМК-регистрируемый источник активности расположен на отдалении от источника моторной команды – расшифровка сигналов занимает большее время. Иначе говоря, время работы петли такой связи более длительное, соответственно и точность работы такой системы меньше.
Очевидно, что наиболее простой является работа с поверхностным ИМК. Однако с точки зрения совершенства системы управления более привлекательным представляется инвазивный интерфейс, который не может разрабатываться на человеке. Именно поэтому в нашем проекте часть исследований проводится на обезьянах. Для получения результата физиологами решаются задачи выбора оптимальной локализации электродов, их качества, разрабатываются нетравматичные методы вживления микроэлектродов, которые должны будут трудиться в течение ряда лет, методы обучения животных и др. Огромная работа проводится специалистами, создающими схемы интерфейса и программы для него. Не менее сложные задачи решают и те, кто занимается биомехатроникой, создают сложные исполнительные органы и современные системы тренировки…
“Компьютерный мост”, строящийся отечественными специалистами, однажды все-таки “соединит берега”, и инвалиды, обретя возможность двигаться, не будут больше чувствовать себя обделенными, надеются разработчики.

Подготовил Юрий Дризе
Фото Андрея Моисеева

Нет комментариев