Ученые БФУ имени Иммануила Канта и Сколковского института выяснили, что использование интерфейсов мозг-компьютер может помочь ускорить реабилитацию пациентов, перенесших инсульт. При предложенном подходе человек управляет виртуальной конечностью с помощью мысленных команд. При этом наблюдение за движениями виртуальной руки, вызванными мозговыми усилиями пользователя, вызывает активацию различных отделов мозга, которые участвуют в прогнозировании и контроле собственных движений. Это может способствовать восстановлению нарушенных из-за инсульта сенсомоторных нейронных связей. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers.
Ежегодно в России регистрируется свыше 400 тысяч новых случаев инсульта, большая часть которых заканчивается смертельным исходом. Лишь около 8–10% пациентов переносят инсульт относительно легко, быстро (примерно в течение месяца) восстанавливая двигательные функции. У большинства же процесс реабилитации растягивается на годы и далеко не всегда завершается полным выздоровлением. В качестве постинсультной реабилитации широко используется подход наблюдения за действием. Он заключается в том, что пациент смотрит, как здоровый человек выполняет те или иные движения, которые сам пока полноценно повторить не может. Во время наблюдения в мозге активируются так называемые зеркальные нейроны, которые участвуют в восстановлении нарушенных из-за инсульта нейронных связей.
Однако метод наблюдения не всегда оказывается эффективным по причине низкой вовлеченности пациентов в такую пассивную тренировку. Также наблюдение за действиями постороннего человека никак не связано с внутренними намерениями пациента совершить собственное движение. Именно поэтому ученые рассматривают в качестве альтернативы методики, требующие активного включения пациента в процесс реабилитации. Такое «включение» могут обеспечить, например, интерфейсы «мозг-компьютер» — системы, позволяющие человеку управлять внешними электронными устройствами, такими как протезы или их виртуальные модели, с помощью мысленных команд. Идея заключается в том, что пациент не просто должен смотреть, как выполняет движения другой человек, а сам мысленно их совершать и видеть, как его мысль «воплощается» в движении. Наблюдение движения в качестве «обратной связи» в ответ на мысленное усилие – это тот самый естественный контур, который нарушается в случае развития паралича.
Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, Сколковского института науки и технологий (Москва) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) исследовали активность головного мозга у здоровых людей, которые с помощью интерфейса «мозг-компьютер» выполняли задачу по управлению движениями виртуальной конечности. Перед испытуемыми ставили монитор, на который выводилась виртуальная модель руки. Участники эксперимента должны были мысленно двигать пальцами этой виртуальной руки, посылая команды через интерфейс «мозг-компьютер». В это время авторы снимали показатели ЭЭГ испытуемых.
Эксперимент показал, что нейронная активность в момент мысленного совершения действия, ожидания результата и наблюдения за ответом различалась по характеру (активировались разные области мозга) и амплитуде. Интересно, что в момент ожидания ответа (движения модели) у испытуемых работали сенсомоторные области, участвующие в прогнозировании мышечного действия и подготовке к движению.
Кроме того, авторы выявили специфичные для ошибочных действий паттерны нейронной активности. Они соответствуют процессам торможения в головном мозге, которые наблюдаются, когда человек совершает неправильные (не те, что задумал) движения в реальности. При этом наблюдения за пациентами, перенесшими инсульт, указывают на то, что у них подобная активность значительно снижается. Из этого можно сделать вывод, что принцип «продумывания» действия перед наблюдением за ним, реализуемый при использовании интерфейса «мозг-компьютер», может помочь восстановить нарушенные нейронные сети мониторинга действий у пациентов после инсульта.
«Интерфейс «мозг-компьютер» можно будет использовать при лечении более широкого круга заболеваний и нарушений, например спинномозговых травм, болезни Паркинсона и других. В дальнейшем мы планируем обогатить обратную связь и другими сенсорными модальностями, например, при наблюдении движения будет также осуществляться тактильная стимуляция парализованной конечности. Также необходимо адаптировать эту технологию для применения в реабилитационной практике, нужно сделать систему максимально простой и доступной для использования ее пациентами», — рассказывает научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и искусственного интеллекта Николай Сыров.