Мозговые имплантаты сегодня и в будущем
Имплантируемые в мозг однонаправленные датчики или устройства с обратной связью могут применяться для лечения различных заболеваний вроде эпилепсии и болезни Альцгеймера, для управления протезами конечностей и экзоскелетами, для получения сигналов от бионического глаза, а также для выполнения функций самого мозга.
Давайте обсудим, как далеко исследователи зашли в этой области и от кого нам ждать новых решений в будущем.
Кадр из фильма «Джонни Мнемоник»
Мозговые имплантаты — это классика научной фантастики, они встречаются в фильмах («Джонни Мнемоник») и книгах («Анклавы»). Часто в фантазиях писателей и сценаристов они предназначены для замены и расширения памяти, повышения способности к обучению и для получения доступа в сеть. В «Анклавах» в порт в черепной коробке можно было вставить дополнительный процессор, многократно повышающий способности мозга.
В реальной жизни примеры мозговых имплантатов уже есть. Одним из первых устройств, работающих внутри черепной коробки в целях получения информации, стал кохлеарный имплантат для компенсации потери слуха с нейросенсорной тугоухостью: при этом расстройстве слух теряется из-за поражения звуковоспринимающего аппарата. Нейропротез преобразовывает электрические импульсы с внешнего микрофона в понятные нервной системе человека сигналы. Технологию применяют с 1960-х годов.
Протезирование глаза работает по схожей системе: данные со встроенной в очки камеры передаются на основное устройство, преобразующее картинку в сигнал, поступающий к присоединённым к сетчатке глаза или имплантированным в мозг электродам. Пока все устройства из этой области позволяют видеть лишь очертания предметов, о цветах речи не идёт.
Одно из средств помощи больным эпилепсией — инвазивный мониторинг. В головной мозг пациентам имплантируются электроды, которые помогают врачам определить зону начала эпилептического приступа и его распространение. Точное определение этих параметров позволяет провести эффективные хирургические меры для лечения пациента. Ещё одно направление, которое должно помочь людям с болезнью Альцгеймера или депрессией, при которых препараты воздействуют на мозг, это имплантаты для непосредственного введения лекарства в мозг, над которыми работает команда из Массачусетского технологического института.
Есть эксперименты в области более редких заболеваний. Один из первых киборгов Нил Харбиссонс детства не видит цветов из-за ахроматопсии. Он разработал устройство, позволяющее ему «слышать» цвет.
Ещё одно перспективное направление — улучшение памяти. Учёные до сих пор до конца не понимают, как работает человеческий мозг, но уже способны восстанавливать некоторые из его функций — устройства буквально подражают его поведению, воссоздавая получаемые электрические сигналы с помощью стимулирования нужных областей в правильной последовательности.
Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии более 25 лет ищет способ улучшить человеческую память с помощью имплантируемых в мозг устройств. В начале 2000-х группа учёных под его руководством создала один из первых протезов гиппокампа для подопытных грызунов. Эта область мозга отвечает за переход кратковременной памяти в долговременную. Симптомы наиболее распространённой формы деменции — болезни Альцгеймера — включают в себя расстройство кратковременной памяти, а одним из ранних признаков заболевания является уменьшение объёма этой части мозга.
В 2010 году Бергер провёл серию экспериментов на крысах с имплантированными электродами, которые захватывали области CA3 и CA1 гиппокампа. Грызуны решали задачи, находясь в камере с двумя рычагами, прячущимися в стене. Сначала нужно было нажать рычаг, затем он убирался в стену на определённое время, и после крыса выбирала один из двух появившихся рычагов. Чтобы получить воду, грызун должен был нажать противоположный стартовому рычаг, а если он нажимал тот же – подопытного наказывали выключением света. Время для решения задачи постепенно увеличивали с 5 до 60 секунд. Электроды в это время записывали сигналы нейронов при нажатии рычага.
Записанный «код» позволил создать модель стимуляции для улучшения показателей решения этой задачи. На графике в левой нижней части изображения оранжевым цветом отмечены результаты, полученные при стимуляции мозга с использованием этой модели, а синим — контрольные результаты, записанные на предыдущем этапе эксперимента. При этом стимуляция осуществлялась не в момент угадывания рычага, а в момент первого взаимодействия с ним – то есть для запоминания.
Добавление искусственных сигналов (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)
В 2011 году команда Бергера продемонстрировал возможность с помощью датчиков в мозге крысы включать и отключать память животного. Грызунам с помощью препаратов блокировали способность создавать долговременные воспоминания – блокировали работу области CA3, а затем с помощью электродов восстанавливали её. Искусственные сигналы, воссоздающие активность нейронов, улучшали процент правильных ответов.
Замена естественного сигнала гиппокампа искусственным (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)
В 2017 году начались эксперименты на людях с вживлёнными в мозг электродами. Двадцать добровольцев решали задачи на запоминание. Сначала имплантат регистрировал нейронные сигналы, а затем «помогал» человеку вспомнить ответ на задачу благодаря стимуляции мозга. Тогда кратковременную память удалось улучшить на 15%. Новое исследование, опубликованное 28 марта 2018 года, повысило этот показатель до 35-37%. С 2014 году вопросом восстановления памяти интересуется агентство DARPA: оно финансировало это исследование, а также выдаёт гранты на научно-исследовательские работы в области создания имплантируемых в мозг датчиков с обратной связью.
Для нового исследования группа учёных из Баптистского медицинского центра Вейк Фореста и Университета Южной Калифорнии привлекла к эксперименту восемь пациентов с эпилепсией, участвующих в диагностической процедуре картирования мозга. В разных частях мозга участников были установлены электроды. Исследование было направлено на эпизодическую память, которая содержит информацию, полезную для небольшого промежутка времени — именно с ней возникают основные проблемы у людей с болезнью Альцгеймера, инсультом и травмами головы.
Система электродов для мониторинга и дублирования нейронной активности гиппокампа
В одном из тестов пациенты выполняли задачи на цветных геометрических фигур, пока датчики записывали активность нейронов в гиппокампе. После просмотра заданной фигуры им предстояло выбрать её из четырёх или пяти вариантов. Стимуляция мозга в правильной последовательности повысила эффективность решения таких задач на 37%. Второй тест заключался в угадывании фотографий спустя час после того, как они были показаны. В этот раз стимуляция позволила улучшить показатели на 35%.
В левой верхней части изображения с пометкой «Actual» – записанные сигналы нейронов между областями гиппокампа, известными как CA3 и CA1. Это то, что датчики отследили в момент, когда участники смотрел на заданные изображения. Учёные проанализировали записи, сделанные во время корректных ответов, и воссоздали их с помощью обратной связи.
«Мы доказали, что мы можем забраться в память пациента, записать сигнал и передать его обратно. Даже в случаях, когда память человека ослаблена, можно идентифицировать паттерны нейронных сигналов и отделить корректные паттерны от неправильных сигналов. Затем мы можем помочь мозгу пациенту в формировании новых воспоминаний – не для замены самой функции памяти, а для её усиления. Сейчас мы стараемся определить, насколько возможно улучшить функцию памяти, но в будущем мы надеемся помочь людям с записью конкретных воспоминаний – например, где они живут, как выглядят их внуки, когда их собственная память перестаёт работать», – рассказывает Роберт Хэмпсон, профессор физиологии, фармакологии и нейрологии Баптистского медицинского центра Вейк Фореста, один из авторов исследования.
Над коммерциализацией технологии Бергера работает стартап KerNEL. Основатель компании Брайан Джонсон хочет не просто начать продавать устройства для восстановления памяти, но и создать новые имплантаты для улучшения внимания и творческих возможностей человека, то есть, по сути, выйти за пределы медицинского использования устройств. В этом случае у устройств есть шанс уйти от необходимости подчиняться всем требованиям к медицинскому оборудованию и встать в один ряд с фитнес браслетами.
Деньги на проект у Джонсона есть благодаря продаже PayPal за 800 млн долларов в 2013 году. Другой связанный с этим проектом человек — Илон Маск — в 2016 году зарегистрировал компанию Neuralink и нанял людей, связанных с исследованиями в области мозга. В краткосрочной перспективе Маск хочет производить устройства для лечения различных заболеваний мозга, но в будущем также, как и Джонсон, он хочет заняться усовершенствованием людей. В том числе – придав им телепатические возможности. В марте 2018 года стало известно, что компания Маска получила разрешение на эксперименты над животными в Сан-Франциско. Neurlalink продолжает искать специалистов в команду – на сайте размещены вакансии инженеров в области робототехники, микроэлектроники, разработчиков программного обеспечения и другие. Одно из главных требований – желание преодолевать большие вызовы.
DARPA последние два года работает над созданием имплантируемых нейроинтерфейсов для получения «беспрецедентного разрешения сигнала и ширины полосы пропускания для передачи информации между человеческим мозгом и электронными системами». Существуют интересные примеры эластичных электродов, вроде разработанного учёными из Линчёпингского университета (Швеция) устройства: на его основе исследователи из Лундского университета в Швеции разработали решение, способное хранить и обрабатывать данные от более чем 1 млн нейронов в реальном времени и обеспечивать обратную связь со скоростью 25 милисекунд.
Дальнейшие разработки «железа» и решений по обработке позволят перевести часть исследований мозга в область программного обеспечения. Для повышения эффективности необходима стандартизация всех элементов нейрокомпьютерных систем. Но пока и это — научная фантастика.
Имплантируемые в мозг однонаправленные датчики или устройства с обратной связью могут применяться для лечения различных заболеваний вроде эпилепсии и болезни Альцгеймера, для управления протезами конечностей и экзоскелетами, для получения сигналов от бионического глаза, а также для выполнения функций самого мозга.
Давайте обсудим, как далеко исследователи зашли в этой области и от кого нам ждать новых решений в будущем.
Кадр из фильма «Джонни Мнемоник»
Мозговые имплантаты — это классика научной фантастики, они встречаются в фильмах («Джонни Мнемоник») и книгах («Анклавы»). Часто в фантазиях писателей и сценаристов они предназначены для замены и расширения памяти, повышения способности к обучению и для получения доступа в сеть. В «Анклавах» в порт в черепной коробке можно было вставить дополнительный процессор, многократно повышающий способности мозга.
В реальной жизни примеры мозговых имплантатов уже есть. Одним из первых устройств, работающих внутри черепной коробки в целях получения информации, стал кохлеарный имплантат для компенсации потери слуха с нейросенсорной тугоухостью: при этом расстройстве слух теряется из-за поражения звуковоспринимающего аппарата. Нейропротез преобразовывает электрические импульсы с внешнего микрофона в понятные нервной системе человека сигналы. Технологию применяют с 1960-х годов.
Протезирование глаза работает по схожей системе: данные со встроенной в очки камеры передаются на основное устройство, преобразующее картинку в сигнал, поступающий к присоединённым к сетчатке глаза или имплантированным в мозг электродам. Пока все устройства из этой области позволяют видеть лишь очертания предметов, о цветах речи не идёт.
Одно из средств помощи больным эпилепсией — инвазивный мониторинг. В головной мозг пациентам имплантируются электроды, которые помогают врачам определить зону начала эпилептического приступа и его распространение. Точное определение этих параметров позволяет провести эффективные хирургические меры для лечения пациента. Ещё одно направление, которое должно помочь людям с болезнью Альцгеймера или депрессией, при которых препараты воздействуют на мозг, это имплантаты для непосредственного введения лекарства в мозг, над которыми работает команда из Массачусетского технологического института.
Есть эксперименты в области более редких заболеваний. Один из первых киборгов Нил Харбиссонс детства не видит цветов из-за ахроматопсии. Он разработал устройство, позволяющее ему «слышать» цвет.
Ещё одно перспективное направление — улучшение памяти. Учёные до сих пор до конца не понимают, как работает человеческий мозг, но уже способны восстанавливать некоторые из его функций — устройства буквально подражают его поведению, воссоздавая получаемые электрические сигналы с помощью стимулирования нужных областей в правильной последовательности.
Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии более 25 лет ищет способ улучшить человеческую память с помощью имплантируемых в мозг устройств. В начале 2000-х группа учёных под его руководством создала один из первых протезов гиппокампа для подопытных грызунов. Эта область мозга отвечает за переход кратковременной памяти в долговременную. Симптомы наиболее распространённой формы деменции — болезни Альцгеймера — включают в себя расстройство кратковременной памяти, а одним из ранних признаков заболевания является уменьшение объёма этой части мозга.
В 2010 году Бергер провёл серию экспериментов на крысах с имплантированными электродами, которые захватывали области CA3 и CA1 гиппокампа. Грызуны решали задачи, находясь в камере с двумя рычагами, прячущимися в стене. Сначала нужно было нажать рычаг, затем он убирался в стену на определённое время, и после крыса выбирала один из двух появившихся рычагов. Чтобы получить воду, грызун должен был нажать противоположный стартовому рычаг, а если он нажимал тот же – подопытного наказывали выключением света. Время для решения задачи постепенно увеличивали с 5 до 60 секунд. Электроды в это время записывали сигналы нейронов при нажатии рычага.
Записанный «код» позволил создать модель стимуляции для улучшения показателей решения этой задачи. На графике в левой нижней части изображения оранжевым цветом отмечены результаты, полученные при стимуляции мозга с использованием этой модели, а синим — контрольные результаты, записанные на предыдущем этапе эксперимента. При этом стимуляция осуществлялась не в момент угадывания рычага, а в момент первого взаимодействия с ним – то есть для запоминания.
Добавление искусственных сигналов (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)
В 2011 году команда Бергера продемонстрировал возможность с помощью датчиков в мозге крысы включать и отключать память животного. Грызунам с помощью препаратов блокировали способность создавать долговременные воспоминания – блокировали работу области CA3, а затем с помощью электродов восстанавливали её. Искусственные сигналы, воссоздающие активность нейронов, улучшали процент правильных ответов.
Замена естественного сигнала гиппокампа искусственным (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)
В 2017 году начались эксперименты на людях с вживлёнными в мозг электродами. Двадцать добровольцев решали задачи на запоминание. Сначала имплантат регистрировал нейронные сигналы, а затем «помогал» человеку вспомнить ответ на задачу благодаря стимуляции мозга. Тогда кратковременную память удалось улучшить на 15%. Новое исследование, опубликованное 28 марта 2018 года, повысило этот показатель до 35-37%. С 2014 году вопросом восстановления памяти интересуется агентство DARPA: оно финансировало это исследование, а также выдаёт гранты на научно-исследовательские работы в области создания имплантируемых в мозг датчиков с обратной связью.
Для нового исследования группа учёных из Баптистского медицинского центра Вейк Фореста и Университета Южной Калифорнии привлекла к эксперименту восемь пациентов с эпилепсией, участвующих в диагностической процедуре картирования мозга. В разных частях мозга участников были установлены электроды. Исследование было направлено на эпизодическую память, которая содержит информацию, полезную для небольшого промежутка времени — именно с ней возникают основные проблемы у людей с болезнью Альцгеймера, инсультом и травмами головы.
Система электродов для мониторинга и дублирования нейронной активности гиппокампа
В одном из тестов пациенты выполняли задачи на цветных геометрических фигур, пока датчики записывали активность нейронов в гиппокампе. После просмотра заданной фигуры им предстояло выбрать её из четырёх или пяти вариантов. Стимуляция мозга в правильной последовательности повысила эффективность решения таких задач на 37%. Второй тест заключался в угадывании фотографий спустя час после того, как они были показаны. В этот раз стимуляция позволила улучшить показатели на 35%.
В левой верхней части изображения с пометкой «Actual» – записанные сигналы нейронов между областями гиппокампа, известными как CA3 и CA1. Это то, что датчики отследили в момент, когда участники смотрел на заданные изображения. Учёные проанализировали записи, сделанные во время корректных ответов, и воссоздали их с помощью обратной связи.
«Мы доказали, что мы можем забраться в память пациента, записать сигнал и передать его обратно. Даже в случаях, когда память человека ослаблена, можно идентифицировать паттерны нейронных сигналов и отделить корректные паттерны от неправильных сигналов. Затем мы можем помочь мозгу пациенту в формировании новых воспоминаний – не для замены самой функции памяти, а для её усиления. Сейчас мы стараемся определить, насколько возможно улучшить функцию памяти, но в будущем мы надеемся помочь людям с записью конкретных воспоминаний – например, где они живут, как выглядят их внуки, когда их собственная память перестаёт работать», – рассказывает Роберт Хэмпсон, профессор физиологии, фармакологии и нейрологии Баптистского медицинского центра Вейк Фореста, один из авторов исследования.
Над коммерциализацией технологии Бергера работает стартап KerNEL. Основатель компании Брайан Джонсон хочет не просто начать продавать устройства для восстановления памяти, но и создать новые имплантаты для улучшения внимания и творческих возможностей человека, то есть, по сути, выйти за пределы медицинского использования устройств. В этом случае у устройств есть шанс уйти от необходимости подчиняться всем требованиям к медицинскому оборудованию и встать в один ряд с фитнес браслетами.
Деньги на проект у Джонсона есть благодаря продаже PayPal за 800 млн долларов в 2013 году. Другой связанный с этим проектом человек — Илон Маск — в 2016 году зарегистрировал компанию Neuralink и нанял людей, связанных с исследованиями в области мозга. В краткосрочной перспективе Маск хочет производить устройства для лечения различных заболеваний мозга, но в будущем также, как и Джонсон, он хочет заняться усовершенствованием людей. В том числе – придав им телепатические возможности. В марте 2018 года стало известно, что компания Маска получила разрешение на эксперименты над животными в Сан-Франциско. Neurlalink продолжает искать специалистов в команду – на сайте размещены вакансии инженеров в области робототехники, микроэлектроники, разработчиков программного обеспечения и другие. Одно из главных требований – желание преодолевать большие вызовы.
DARPA последние два года работает над созданием имплантируемых нейроинтерфейсов для получения «беспрецедентного разрешения сигнала и ширины полосы пропускания для передачи информации между человеческим мозгом и электронными системами». Существуют интересные примеры эластичных электродов, вроде разработанного учёными из Линчёпингского университета (Швеция) устройства: на его основе исследователи из Лундского университета в Швеции разработали решение, способное хранить и обрабатывать данные от более чем 1 млн нейронов в реальном времени и обеспечивать обратную связь со скоростью 25 милисекунд.
Дальнейшие разработки «железа» и решений по обработке позволят перевести часть исследований мозга в область программного обеспечения. Для повышения эффективности необходима стандартизация всех элементов нейрокомпьютерных систем. Но пока и это — научная фантастика.
