Киберпротезы — это продукт нескольких дисциплин: медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Это протезы нового поколения, в которые встроены механизмы автоматического управления, ведь, когда человек переставляет ногу при ходьбе, он не думает о том, какова совокупная работа по переносу ступни, изменению ее наклона в цикле шага, синхронному изменению угла сгибания в колене и так далее. Все перечисленное — это автоматические механизмы.
На сегодняшний день самое лучшее, что может позволить себе большинство инвалидов, потерявших, например, ногу от колена, — это прикрепленный к культе бедра вертикальный стержень с присоединенной внизу на шарнире горизонтальной планкой, заменяющей ступню. Проблема таких механических протезов в том, что человек вместо ноги получает механический упор, который усилием оставшихся мышц переносит в цикле шага. Киберпротез, оснащенный движителями и аккумулятором, — это фактически самостоятельно шагающая нога. Плотно присоединенный к культе протез не только будет требовать меньше усилий при ходьбе, но сделает движение человека более естественным и удобным. При этом темп, размер шага и другие параметры движения могут быть подогнаны для конкретного пользователя.
Однако даже точно настроенный протез, позволяющий человеку без палочки и костылей с легкостью ходить по ровной поверхности, не справится, если потребуется идти по ступеням или повернуть в ту или иную сторону. Для каждого нового режима движения нужны свои настройки. Переключение режимов протеза уже не может быть автоматическим — намерение изменить движение рождается в голове у человека, киберпротезу об этом неизвестно.
Совершенные киберпротезы при всех своих автоматических механизмах должны еще иметь систему управления непосредственно от мозга, хотя бы для переключения режимов. К настоящему времени разработана специальная технология — интерфейс «мозг — компьютер», позволяющий на основе регистрации биопотенциалов мозга считывать простейшие команды человека (налево-направо, вперед-назад и так далее). Преобразованные в сигналы для механизмов протеза, они позволяют переключать режимы его активности. Таким образом, человек может во время движения естественным образом, то есть мысленными командами, регулировать режимы протеза в зависимости от характера поверхности и цели своего движения, не используя дополнительные пульты управления.
В расшифровке мысленных команд нет никакой мистики. Предварительно человеку предлагается много раз мысленно воспроизводить нужные движения, и алгоритмические системы распознавания образов находят соответствие между этими намерениями и определенными признаками в электрической активности мозга. Натренированные алгоритмы с хорошей надежностью детектируют признаки того или иного намерения в коррекции движения, которые тут же транслируются к протезу как команды для переключения в нужный режим: движение вверх по лестнице, поворот направо и так далее. Такие же принципы управления закладываются и в киберпротезы верхних конечностей. Например, в протезы кисти встраиваются 5–6 моторчиков, которые хорошо управляют пальцами. На рынке уже есть киберпротезы кисти с управлением режимами, но пока не от мозга, а от оставшихся на конечности мышц. Полнофункциональные киберпротезы еще не сделаны, но во многих лабораториях мира идет исследовательская работа в этом направлении.
Технология регистрации электрической активности мозга взята из медицины и в настоящее время очень практична: на голову накладывается несколько датчиков, надевается специальная шапочка со встроенными сенсорами биопотенциалов, которые соединены с процессорным устройством, расшифровывающим эти биопотенциалы и передающим команды для исполнительных устройств.
Киберпротезы могут заменять не только утраченные конечности. Уже много десятилетий при некоторых сложных хирургических операциях приходится останавливать сердце. В это время к человеку подключают фактически протез сердца, который в ходе операции выполняет его функцию — перекачивает кровь. Однако мало кто называет киберпротезом этот аппарат искусственного комплекса «сердце — легкие», потому что по габаритам он скорее напоминает шкаф, чем само сердце. В этом проблема — нужно сделать подобные комплексы малогабаритными, встраиваемыми прямо в организм. Это касается не только сердца, но и любых других органов: печени, почек, поджелудочной железы и других. Наука и технологии уже близко подошли к тому, чтобы создать компактные протезы внутренних органов. Уже практически устранены основные трудности создания искусственных схем управления этими органами непосредственно от мозга.
Протезировать не получится только сам мозг, потому что мозг — это информационно-аналитическое устройство. В нем хранится память, навыки, наши знания о мире. Какой бы совершенной ни была электроника искусственного кибермозга, в него не удастся перенести опыт жизни отдельного человека. Это не кибернетическая нога, которая не требует переноса в нее памяти естественной ноги для выполнения опорной функции. Поэтому тотальное протезирование мозга человека, скорее всего, невозможно. Разве что протезированию поддадутся отдельные области мозга, очень ограниченные в размерах и по выполняемой функции.
Александр Каплан, доктор биологических наук, психофизиолог, профессор кафедры физиологии человека и животных, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ им. М .В. Ломоносова.
Лекция про нейроинтерфейс мозг—компьютер
