Кто из нас не хотел, чтобы будущее, описанное писателями-фантастами, поскорее наступило? В 2017 году выходит фильм “Призрак в доспехах”, и без того повышенный интерес к теме нейроимплантов среди неспециалистов, достигает вовсе заоблачных высот. Как было бы здорово не учить ничего, а просто вставить флешку в специальный порт в голове и уже знать все необходимое. Но может, будущее уже наступило, а мы просто не обратили на это внимания?
Когда все началось?
Несмотря на то, что активное изучение нейрокомпьютерных интерфейсов, началось только в 1970-х годах, теоретические принципы, на которых строится работа приборов, озвучивались еще в самом начале 20-го века такими видными учеными, как Иван Петрович Павлов и Петр Кузьмич Анохин. Благодаря им увидели свет концепция условных рефлексов и теория функциональных систем, на которых построена работа нейроинтерфейсов.
Если кратко, то рефлексы бывают условные и безусловные. Безусловные рефлексы наследуются и должны проявляться вне зависимости от условий проживания и различных воздействий внешней и внутренней среды. К безусловным рефлексам относятся те рефлексы, которые обеспечивают выживание особи в любых условиях: половые, ориентировочные, пищевые. Условные рефлексы можно развить, если совместно со стимулом безусловного рефлекса постоянно подавать новый условный сигнал, например вызывать пищевой рефлекс у собаки, показывая ей еду, и одновременно звонить в колокольчик. Если по истечению какого-то времени эксперимента просто позвонить в колокольчик, не показывая еду собаке, ученый сможет наблюдать проявления пищевого поведения.
Теорией функциональных систем является альтернативной концепцией. Ею описывается модель поведения, учитывающая влияние всех факторов на принятие какого-либо решения. В отличие от рефлексов, конечными точками функциональной системы являются адаптивные результаты действий, а информация по нервной системе может распространяться нелинейно, как в случае с концепцией рефлексов. Выбор цели и методов ее достижения являются ключевыми регулирующими поведение факторами. Кроме того, в значительной степени на принятие решений оказывают влияние полученный опыт и характер воспоминаний о нем.
В 1970-х годах начался настоящий бум. Внимание ученых занимали в основном исследования зрительной и слуховой систем. Начались исследования на животных. Эдвард Шмидт и его коллеги в 1976 году имплантировали микроэлектроды в двигательную кору обезьян для получения записей активности отдельных нейронов с целью их изучения. Сейчас исследователями используются микроэлектроды такого же типа для изучения и разработки протезов.
С тех пор ученые достигли огромного прогресса: нам стало доступно даже дистанционное управление не только механическими приборами, но даже траекторией движения тараканов. Не так давно ученые из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейне объявили о создании крошечных нейросенсеров, чьей функцией является отслеживание состояния пациента в послеоперационный период. Их особенностью является то, что они буквально растворяются после того, как становятся не нужны. С 1997 года нейроинтерфейсы стали применяться для облегчения симптомов пациентов с эпилепсией, дистонией (не вегето-сосудистой, нет) и даже депрессией.
Конечно же, такие технологии не могли не заинтересовать военных. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, или DARPA, показывала особый интерес к разработке так называемых насекомых-киборгов, которые были бы очень удобны в военном деле: в таких насекомых предлагалось вживлять датчики для передачи данных. Их движение контролировала бы особая система, а датчики позволяли бы изучать окружающую среду и передавать необходимую информацию в центр управления. Насекомые вообще представляются военным крайне удобными организмами: они маленьких размеров и их много. В основном, все исследования в данной области направлены на то, чтобы животные могли находить химическое оружие и передавать данные о его местоположении.
Сейчас технологии обеспечивают считывание сигналов непосредственно с нейронов и позволяют регистрировать нейрохимические процессы, происходящие в нервных тканях. Именно поэтому ученым необходимо иметь полное представление о работе нейронов конкретного человека, а само моделирование может занимать значительную часть исследования.
Насекомые — это круто. А какой нейроимплант я все же могу пойти и купить?
Самым популярным нейроиплантом является кохлеарный. Он представляет собой небольшое довольно сложное электронное устройство, помогающее слышать человеку с поражениями слухового аппарата. Имплант состоит из внешней части, которая расположена за ухом, и внутренней, вживленной хирургическим путем в кожу рядом с ухом. Имплант состоит из микрофона, речевого процессора, обрабатывающего поступающие через микрофон звуки, передатчика и приемника, которые преобразуют сигнал в электрические импульсы, и электродов, направляющих эти импульсы в слуховой нерв.
Надо понимать, что кохлеарный имплант и слуховой аппарат — это разные вещи. Слуховые аппараты усиливают звуки, а кохлеарные импланты непосредственно стимулируют слуховой нерв. Сигналы, которые генерирует имплант, распознаются нашим мозгом как звуковые. Такие сигналы несколько отличаются от того, что здоровые люди понимают под звуком, и на настройку устройства и привыкание к нему может уйти значительное время. Однако такие устройства помогают людям с проблемами слуха различать звуки и вести продуктивную жизнь.
А есть ли что-то более продвинутое? Хочу выучить китайский!
За последнее десятилетие ученые смогли разработать нейроимпланты, с помощью которых инвалиды могут управлять протезами с помощью мысли. Нейроимпланты активно исследуют с целью создания аппаратов, которые могут помочь людям победить деменцию или улучшить их умственные способности.
Несколько лет назад ученым удалось создать нейроимплант, с помощью которого обезьяны смогли восстановить умственные способности. Обезьянам предлагалось играть в игру: они видели изображение на большом экране и затем пытались найти его среди множества других, появляющихся на экране позднее. Правильные ответы поощрялись. После двух лет практики обезьяны смогли достичь некоторых высот: около 75% правильных ответов в простой игре и 40% правильных ответов в сложной, что было значительно выше, чем вероятность случайного успеха.
Всем обезьянам был имплантирован зонд с двумя датчиками, регистрирующими активность нейронов. С их помощью исследователи регистрировали нейронные сигналы “правильных” ответов. С целью тестирования ученые передали “правильный” сигнал на этот датчик — количество правильных ответов увеличилось на 10%. Затем злые ученые дали обезьянам кокаин и таким образом нарушили нормальную работу мозга. Результаты такого воздействия не заставили себя ждать: количество правильных ответов упало на 20%.
До изучения китайского тут пока далековато, недостатки исследования и количества информации по этой теме отмечали и сами авторы работы. Но, похоже, идем мы верной дорогой.
Как еще нейроинтерфейсы можно применять в медицине уже сейчас?
Нейроинтерфейсы активно применяются в реабилитации, и результаты в этой сфере довольно внушительные. Например, видео ниже было выложено в Интернет еще в 2012 году. Найджел Экланд лишился руки по локоть. Но сейчас он способен управлять механической рукой из углеродного волокна. Роботизированная рука настолько чувствительна, что человек способен печатать на клавиатуре, самостоятельно одеваться и готовить. По его словам, протез помогает ему чувствовать себя полноценным и преодолевать социальные барьеры, а протез способен даже совершать произвольные. В большинстве случаев, конечно, необходима концентрация при управлении: нужно запоминать варианты захвата и регулировать силу.
А вот еще одно видео, уже из 2016 года. За несколько лет до этого Ян Буркхарт сломал шею и потерял чувствительность в конечностях. Однако ему удалось восстановить контроль над правой рукой с помощью технологий, передающих информацию непосредственно в мышцы в обход позвоночника: до этого Яну Буркхарту был имплантирован особый чип в мозг. К сожалению, такая технология не является лекарством: молодой человек может использовать конечность только при подключении к компьютерам. Поэтому врачи отмечают, что предстоит еще огромная работа для обеспечения Яну полной независимости в движениях.
Еще один известный обладатель нейроинтерфейса — американец Билл Кочевар, получивший травму позвоночника и оставшийся парализованным ниже шеи. Мужчине были вживлены электроды в двигательную кору головного мозга, отвечающую за управление рукой, и в мышцы руки. После этого наступила пора длительных тренировок и привыкания, которые однако принесли свои плоды: теперь пациент способен двигать рукой.
Есть ли у нейроинтерфейсов какие-то проблемы?
Так как устройство необходимо вживлять непосредственно в тело человека, в его мозг, оно должно отвечать определенным требованиям, как минимум, быть биосовместимым. Однако вне зависимости от используемой технологии нарушение гемато-энцефалического барьера (барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой) из-за вживления инородного тела в мозг неизбежно вызывает каскад биохимических реакций. Физическое введение импланта в ткань вызывает воспалительную реакцию из-за локального повреждения. Возникают определенные молекулярные и клеточные изменения в микроокружении самого импланта и далее по цепочке, может возникать дегенерация некоторых нейронов. Такие изменения могут в значительной степени влиять на электрохимиечскую и электрофизиологическую активность клеток, чувствительность сигнала и его стабильность. Так как такие устройства могут стать в скором будущем нашей очевидной реальностью, нам необходимо четко понимать, какое влияние они оказывают на ткани нашего орагнизма во времени. Эта информация необходима в частности для смягчения последствий вживления имплантов, уменьшения количества травм и усовершенствования технологии в целом.
Ну и, конечно, существует этическая сторона вопроса. Существует даже специальный термин, нейроэтика. Все дело в том, что подобные технологии могут стирать границу между человеком и машиной. Более того, некоторые эксперты (и сторонники теорий заговоров) полагают, что в руках определенных людей нейроимпланты смогут стать технологией контроля человечества: можно будет найти любого человека за доли секунды и запрограммировать его действовать именно так, как кому-то хочется. Заинтересованность военных в таких проектах также вызывает бурные дискуссии: контроль над физическим состоянием солдат, повышение их квалификации — это замечательно, но не сделает ли нейроимплант из них послушных зомби? Вряд ли мы все хотим, чтобы в будущем нас ждала перспектива развития событий как в фильме “Kingsman: Секретная служба”.