Поиск - новости науки и техники

Стоит подумать… Способность двигаться можно вернуть силой мысли

В недалеком будущем ученые, наверное, смогут провести такой эксперимент: абсолютно недвижимого человека – он даже глазами повести не в состоянии – врачи сажают в инвалидное кресло и надевают на голову энцефалографическую шапочку, к которой прикреплено множество электродов. Проходит несколько секунд, и… кресло начинает двигаться. Сначала едет прямо, затем поворачивает направо, потом – налево, а больной все так же неподвижен. Разве не чудо? А сотворит его мозг человека благодаря уникальной технологии интерфейс “мозг – компьютер” (ИМК). Ее разрабатывает лаборатория математической нейробиологии обучения Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН под руководством профессора Александра Фролова.

– Какое действо происходит в мозге, если кресло вдруг начинает двигаться?
– Тяжелобольной может управлять не только коляской, но и грузовиком, подъемным краном, даже танком, – объясняет Александр Алексеевич. – Лишь бы от мозга шли сигналы, выражающие его четкие намерения. Для этого больному достаточно вообразить, что его коляска едет. Задача вовсе не сложная, ведь он не инвалид детства и до заболевания прекрасно двигался, потому и представить движение ему легко. Куда труднее его повторить, но это – потом, а сейчас – каждые четверть секунды приборы подают сигналы, соответствующие намерению человека. И коляска будет ехать, пока сигналы можно будет уловить.
Есть немало болезней, при которых человек становится полностью обездвиженным. Прежде всего, различные виды склерозов, когда пораженными оказываются конечные клетки нервной системы, отвечающие за движение. Причем все остальные отделы нервной системы находятся в порядке – значит, тяжелобольной не потерял способности думать. Известно, что в мире сотни тысяч таких больных. Частично обездвиженными становятся и люди, получившие травмы головы или спинного мозга. Для подобных больных метод ИМК – единственный, подчеркну, способ коммуникации с внешним миром.
– Расскажите, пожалуйста, о методе подробнее.
– Идея технологии интерфейс “мозг – компьютер” появилась в начале 70-х годов прошлого века в Америке. Потом был перерыв, растянувшийся более чем на 20 лет. Только в середине 1990-х ученые вернулись к ней и начали пытаться ее реализовать. Наша лаборатория стала работать над ИМК десять лет назад. Получилось это в общем-то случайно. Однажды на семинаре я познакомился с военным ученым, который также интересовался методом ИМК. Встретились мы снова спустя немало лет. Человек этот ушел из науки в строительный бизнес и вел его вполне успешно, но интереса к науке не потерял и предложил мне заняться ИМК, а сам выступил в роли инвестора.
Задача оказалась чрезвычайно перспективной, поскольку технологию можно распространить на самых разных тяжелобольных, и очень сложной, требующей немалых средств на эксперименты, а также конвергенции различных наук. В 2011 году нам на помощь пришел Российский фонд фундаментальных исследований, оценивший значимость этого направления. Фонд выделил два гранта по проектам ОФИ-М (ориентированные фундаментальные научные исследования по актуальным междисциплинарным темам) трем лабораториям: А.Бодаквы (из отделения Института медико-биологических проблем РАН, которым руководит член-корреспондент РАН И.Козловская), а также И.Бондаря и моей (Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН). Проект поддержал вице-президент РАН А.Григорьев. Участники получили порядка 10 миллионов рублей на два года. Затем был еще один грант на три года. Заинтересовалось этой тематикой и Министерство здравоохранения, также выделившее нам средства. К исследованиям подключился и Российский национальный исследовательский медицинский университет, в котором по совместительству я заведую Отделением нейрокомпьютерных интерфейсов. Таким образом, сегодня в разработке технологии ИМК участвуют более 20 специалистов. Мы проводим эксперименты в неврологических отделениях двух клиник и, благодаря столь мощной поддержке, активно продвигаемся вперед.
– Как действует эта технология?
– ИМК – технология многоплановая. В нашей лаборатории, как я уже говорил, она применяется с целью научить тяжелобольного воображать движение. Понятно, что это действо выражают сигналы мозга. Но он генерирует огромный массив информации, возникающей в результате взаимодействия самых разных нейронов, а их, как известно, примерно 100 миллиардов. И каждому намерению соответствуют свои сигналы. Если человек, скажем, складывает в уме цифры, сигналы будут одни, а если встает с места и идет – другие. Мы бы обязательно во всем этом запутались, не научившись вычленять нужные нам сигналы. Сегодня мы знаем, что каждому намерению соответствуют характерные признаки, выделенные из посылаемых нам мозгом знаков. А распознать их помогает компьютерный анализ.
Задача очень сложная хотя бы потому, что мозг живет своей жизнью и производит огромное количество действий, не контролируемых больным. Мозг не знает усталости и работает без перерывов. А сигналы, которые нам необходимо обнаружить и выявить, очень слабые, не больше десятков микровольт, и посторонний шум их попросту забивает. Поэтому сначала сигналы идут на усилитель – небольшое устройство, которое крепится непосредственно на теле больного. Оно увеличивает их мощность в тысячу раз и передает компьютеру, который можно установить на инвалидном кресле, но можно и в отдалении, тогда сигналы мозга он получит по беспроводному соединению. Компьютер “отсеет” лишний шум, выделит нужный нам сигнал и направит его, так сказать, для исполнения, то есть непосредственно мотору коляски. Это чисто техническая задача, к тому же несложная. Так, недвижимый больной представляет, что едет, и действительно управляет движением инвалидной коляски. Вообразит, что левая рука делает усилие, и коляска послушно повернет налево. Кстати, подобные упражнения интересны и здоровым людям. Есть компьютерные игры, в которых силой мысли человек заставляет виртуальную машинку “ездить” по экрану монитора – очень увлекательное занятие.
Мы достигли определенных результатов, научив здоровых испытуемых управлять виртуальной или реальной игрушечной машинкой, и решили идти дальше. Возникла идея перенести метод ИМК в клинику и помочь восстановлению больных после инсульта и тяжелых травм (а таких только в нашей стране – миллионы). Под этот проект и были получены гранты РФФИ и Министерства здравоохранения. У этих больных есть шанс на восстановление способности к движению. Помогает им экзоскелет – механическое продолжение руки, напоминающее перчатку. Мы ставим перед больными очень простую задачу: представить, что в левой руке они держат мячик и начинают его сжимать. Кисть руки выбрали потому, что она хуже всего восстанавливается после инсульта. Под действием идущих из мозга импульсов и благодаря помощи экзоскелета рука начинает сжиматься и разжиматься.
– И каковы результаты?
– У нас более 30 таких больных, и уже можно сказать определенно: улучшение происходит у всех. Проявив волю, человек старается превозмочь последствия болезни. Это толчок к выздоровлению – теперь оно идет в разы быстрее, чем с применением традиционных методов лечения. Потому что происходит постоянная активация двигательной системы мозга, восстанавливается не до конца разрушенная его ткань (полностью разрушенная не восстанавливается). И когда больной разжимает руку, он это делает под управлением других, не поврежденных областей мозга, которые, в принципе, не должны этим заниматься, но все же приходят на помощь затронутым болезнью участкам. Еще одно подтверждение, что наш мозг чрезвычайно пластичен, а его возможности поистине безграничны, поэтому различные его участки могут взять на себя несвойственные им обязанности. В данном случае – отвечающие за двигательные функции. Это так называемые компенсаторные возможности мозга. Для нас самое важное – запустить этот процесс, отладить его.
Больного, естественно, не интересует, какая область мозга обеспечивает движение. Для него важно, что рука начинает двигаться. На его глазах происходит чудо, которое он сам – вот главное! – и сотворил. За две недели экспериментов человек начинает двигать кистью самостоятельно. Прогресс на лицо: теперь больной может сам продолжать тренировки. Это и есть наша конечная цель.
– Что дальше? Какова перспектива этого чудо-метода?
– Нам предстоит его усовершенствовать. Необходимо улучшить экзоскелет и возможности специальной шапочки, увеличить количество сигналов, добавив к электрическим сигналам мозга еще и гемодинамические. Их нам подает кровь больного, сообщая, какая область мозга более активна, когда в ней увеличивается кровоток. Важно и дальше модернизировать систему выделения сигналов, а также способов их очистки от шума. Это позволит нам лучше контролировать работу мозга больных, расширит возможности помощи им. Они должны научиться не только двигать рукой, но и брать ложку или стакан. Мы хотим, чтобы, повинуясь команде мозга, руки могли взаимодействовать. Нам нужно два-три года и не десятки больных, как сегодня, а сотни, чтобы набрать внушительную, вызывающую доверие статистику. И, конечно, средства, так что без помощи РФФИ нам не обойтись. Он будет поддерживать нас в 2015 году, а Минздрав еще и в
2016-м. Надеемся на содействие и других фондов. Ведь дело того стоит. Это главное.

Наша справка
Работы в области развития технологий нейрокомпьютерного интерфейса (НКИ) ведутся сегодня во многих зарубежных лабораториях. Подобные исследования начались за границей в 1970-х годах в стенах Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США). В 1988 году была впервые реализована система “виртуальной клавиатуры”, позволившая печатать текст с помощью ИМК. С середины 1990-х разразился настоящий бум развития нейрокомпьютерных интерфейсов.
За последние два десятка лет огромные деньги были инвестированы в исследования в области НКИ как в Европейском союзе, так и в США. Например, в 1999-2001 годах ЕС профинансировал международный проект по созданию системы Adaptive Brain Interface, способной к дальнейшему обучению в ходе ее использования. В 2002-м Национальный институт здоровья США выделил 3,3 млн долларов на дальнейшую разработку клинических систем схожего типа. Весной 2013 года в Университете Брауна (США) объявили о создании первого в мире беспроводного перезаряжаемого интерфейса “мозг – компьютер” (Brain-Computer Interface), пригодного для длительного ношения.
Получила известность и система, разработанная совместными усилиями специалистов Общества имени Фраунгофера и нейрофизиологов клиники Шарите (Берлин), которая принципиально отличается от предшественников: для ее использования пациенту не нужно обучаться – обучается сама система, а пользователь, начиная работать с ней, должен лишь показать машине, как он собирается ею управлять.

Юрий ДРИЗЕ
  Фото Андрея Моисеева

Нет комментариев