Алексей Осадчий: «Один из самых сложных вызовов — интерпретация активности мозга»
Как работают интерфейсы «мозг — компьютер», сможем ли мы лечить деменцию и улучшать когнитивные способности в будущем? Разбираемся в этих вопросах с ведущим специалистом в области нейроинтерфейсов и нейропротезирования Алексеем Осадчим
Мост между мозгом и телом
РБК Как бы вы объяснили доступным языком, например, подростку, как работает интерфейс «мозг — компьютер»?
А. О. Если говорить о моторных нейроинтерфейсах, я бы начал с того, что головной мозг управляет произвольными движениями рук и ног человека. Когда мы решаем совершить движение, головной мозг посылает сигналы через спинной мозг, находящийся в позвоночнике, на наши мышцы, которые в данном случае можно назвать исполнительным механизмом. Если спинной мозг, проводник этих сигналов, поврежден, то сигналы не могут дойти до конечностей. В таком случае для восстановления утраченной связи можно использовать нейроинтерфейс — устройство, которое «подслушивает» активность мозга, расшифровывает ее (превращает в команды) и передает указания напрямую мышцам или протезам, минуя поврежденный участок спинного мозга. Это и есть наиболее привычное направление работы нейроинтерфейса: от мозга к исполнительным устройствам.
Но на этом все не заканчивается. Ведь мозг также получает огромное количество информации от наших органов чувств, в том числе от органов осязания: прикоснулись мы к яблоку — понимаем, что оно гладкое и прохладное; к наждачке — что она шершавая и т.д. Вот и нейроинтерфейсы могут работать в этом обратном направлении, доставляя напрямую в мозг тактильную информацию, которая очень важна, например, для более естественного управления внешними устройствами при помощи, как это принято говорить, силы мысли. Нейроинтерфейс, сочетающий оба таких направления работы, называется двунаправленным.
РБК Насколько мы знаем, исследования в области нейроинтерфейсов ведутся еще с 1990-х годов.
А. О. Да, активная фаза разработок действительно началась в этот период. Во многих странах, особенно в США и Европе, они развиваются десятилетиями. В Россию подобные тренды доходят с задержкой в 15–20 лет.
Нейроинтерфейсы начинаются с нейровизуализации — нашей способности видеть мозговую активность и выявлять в ней закономерности. Первые системы были неинвазивными, основанными на электроэнцефалографии, измеряющей разность электрических потенциалов на поверхности головы с помощью электродов.
Позже появились многоканальные инвазивные системы. Один из прорывов в этом направлении — чипы Utah Array от компании BlackRock, позволяющие погружать электроды в кору мозга и считывать сигналы от отдельных нейронов или их групп.
Еще в конце 1980-х исследователь Апостолос Георгополос показал, что по активности нейронных популяций можно предсказать направление движения руки у обезьяны. Это открытие легло в основу систем, позволяющих управлять роботизированной рукой или джойстиком. Эксперименты начинались на обезьянах, но сейчас уже ведутся клинические испытания на людях.
Спрос на нейроинтерфейсы
РБК Какие нейроинтерфейсы сейчас особенно востребованы на рынке?
А. О. Говоря о рыночном интересе, важно различать нейроинтерфейсы по типу сигнала (моторные, сенсорные, миографические) и по степени инвазивности (инвазивные, неинвазивные).
Моторные интерфейсы считывают мозговую активность и управляют внешними устройствами. Миографические — считывают мышечные сигналы, чаще всего с поверхности кожи, и используются, например, для управления протезами. Сенсорные интерфейсы, наоборот, передают ощущения человеку. Примеры — кохлеарные (слуховые) импланты и зрительные протезы, хотя последние пока развиты слабо.
Двунаправленные моторные интерфейсы сейчас активно развиваются. Например, студентка первого выпуска нашей магистерской программы в ВШЭ Лиза Окорокова в лаборатории Bensmaia Lab работала над системой, передающей тактильные ощущения через стимуляцию сенсорной коры. Главная задача — добиться естественности восприятия. Но это крайне сложно: мозговые репрезентации нестабильны, сигналы часто «утекают» за пределы зоны, покрытой электродами, а декодер (алгоритм, преобразующий сигналы мозга в команды для управления устройствами. — РБК) должен все время адаптироваться. Поэтому моторные нейроинтерфейсы остаются скорее исследовательским инструментом.
За 35 лет их протестировали менее чем на 60 пациентах по всему миру — это очень мало, как и число людей, которым реально нужен инвазивный контакт с мозгом, для восстановления моторной функции. В ЦБИ НИУ ВШЭ в сотрудничестве с командой врачей из МГМСУ им. А. И. Евдокимова Михаилом Владимировичем Синкиным и Владимиром Викторовичем Крыловым мы в 2021 году продемонстрировали двунаправленный моторный нейроинтерфейс на основе малоинвазивной технологии электрокортикографии, однако по вышеописанным причинам дальнейшее развитие этого проекта не оказалось востребованным.
Инвазивные интерфейсы для восстановления речи показали большой прогресс за последние пять лет. Лаборатория Кришны Шеноя из США недавно представила интерфейс, способный в реальном времени восстанавливать речь по сигналам активности мозга. Это важное достижение, но реальная потребность в таких решениях ограничена: большинство людей, сохранивших способность управлять голосовыми связками, могут восстановить речь, не прибегая к имплантации в мозг систем электродов.
Похожее утверждение можно сделать и про людей, потерявших конечности, которых сейчас, к сожалению, очень много, но у подавляющего большинства из них сохранена связь головного мозга и мышц. Поэтому именно миографические интерфейсы кажутся наиболее перспективными. Электроды улавливают даже слабые сигналы, не вызывающие полноценного сокращения мышц, — остаточную миоэлектрическую активность.