Парализованному человеку искусственная конечность открывает целый мир — увлекающий мир самостоятельных движений, о ценности которого здоровые люди обычно не задумываются. Увы, в действительности он никому не гарантирован на всю жизнь. И только наука потенциально способна обеспечить этот мир каждому. Буквально за несколько последних лет область нейроинтерфейсов обогатилась рядом важнейших исследований.
Их промежуточным итогом можно считать успешную демонстрацию механической руки, управляемой «силой мысли» парализованной 52-летней женщины. Устройство, созданное учеными Университета Питтсбурга (США), подчинялось сигналам коры головного мозга и обладало семью степенями свободы. Журнал Science назвал этот протез одним из прорывов 2012 года. Проще говоря, искусственная рука, послушная мысленным командам и по разнообразию движений напоминающая естественную, уже существует. Пациент может взять чашку кофе со стола и поднести ко рту, чтобы выпить.
Вместе с тем очевидно, что этого недостаточно. Естественным состоянием для человека должно быть владение и одновременное управление двумя руками. К настоящему времени никто не сумел добиться подобного, подключив к мозгу механические манипуляторы. Однако специалисты уже вплотную подобрались к этой задаче, и есть все основания рассчитывать, что она будет решена.
Первый важный результат опубликован группой исследователей из Медицинского центра Университета Дюка (США), возглавляемой Мигелем Николелисом. Его подопытные обезьяны научились одновременно управлять обеими виртуальными конечностями исключительно за счет активности своего мозга. Пока это просто управление анимацией: обезьяны видели перед собой монитор, на котором отображались «обезьяноподобные» руки. Однако движение этих рук всецело зависело от электрических возбуждений нейронов в мозге животного.
То, что впервые такой эксперимент проведен в лаборатории Николелиса, совсем не сюрприз. Скорее, тут уместно согласиться: кто, если не он! Николелис давно занимается нейрокомпьютерными технологиями и последовательно воплощает в реальности разнообразные идеи писателей-фантастов. Только за последние пару лет его эффектные эксперименты неоднократно привлекали внимание СМИ. Скажем, наверняка многие слышали, как он соединил с помощью интернета мозги двух крыс. Одна из них нажимала на педаль в Университете Дюка, что в Северной Каролине, и тут же другая, подчиняясь сигналу от первой, делала то же самое, находясь в лаборатории в Бразилии.
В одном из публичных выступлений Николелис признался, что пошел еще дальше и связал через интерфейс мозги сразу четырех грызунов, назвав такую сеть Brain net. В другом эксперименте паре обезьян транслировалось в мозг только по половине от всей информации, необходимой для управления манипулятором, но им удавалось справляться с задачей совместными усилиями. А в 2011 году Николелис организовал передачу информации в обратном направлении, от протеза в мозг. В результате животные смогли различать «текстуры» визуально неотличимых виртуальных объектов, что фактически равносильно осязанию без участия тела. Таким образом, обладая многолетним опытом построения весьма разнообразных экспериментов, Николелис с коллегами снова предложили и решили интересную задачу.
В новом эксперименте, чтобы получить сладкое вознаграждение, макаке-резусу требовалось одновременно коснуться виртуальными руками двух светлых мишеней, которые периодически меняли свое местоположение на темном экране. Сначала обезьяна училась управлять анимирован-ными конечностями с помощью джойстика, то есть двигая собственными руками. Затем шли сессии пассивного наблюдения за происходящим в виртуальной реальности. Одновременно обучалась и компьютерная программа, специальный вариант адаптивного фильтра Калмана. И только на третьем этапе активность мозга обезьяны преобразовывалась в управляющие команды, а ее собственные руки временно фиксировались.
Успеху эксперимента в значительной мере способствовало огромное, даже по нынешним временам, количество электродов — в общей сложности их удавалось использовать до полутысячи. Электроды были имплантированы в различные области лобной и теменной коры (одной из обезьян аж за 42 месяца до начала обучения!). Из интуитивных соображений может показаться, что движение двумя конечностями есть простое сложение «левой» и «правой» активностей (тем более что за руки отвечают разные полушария). Это оказалось совсем не так: двуручное управление представляет собой отдельный режим работы мозга, оно распределено по разным участкам коры, причем индивидуальные нейроны и группы нейронов могут одновременно участвовать в манипулировании обеими руками.
С начала 1990-х годов, когда нейронаука перешла от единичных электродов к муль-тиэлектродным матрицам, объем информации, получаемый учеными, непрерывно растет. Это дает новые возможности. Однако все подобные технологии инвазивны, то есть предполагают вскрытие черепной коробки, в силу чего проблематичны для широкого использования на людях. Кроме того, инвазивные интерфейсы мозг-компьютер пока требуют постоянной рекалибровки. Нейронная активность обладает сложной динамикой, характер сигналов меняется в зависимости от особенностей движения, позы, в которой оно осуществляется, и даже от смыслового контекста. С другой стороны, прогресс в данной области неизбежен, особенно учитывая стартовавший мега-проект BRAIN, имеющий целью разработку принципиально новых технологий по считыванию активности обширных групп нейронов.
И очень сложно не заметить, что опыты, описанные выше, ставят ученых перед возможностью подключить к мозгу не две руки, а больше. В некоторых тренировочных сессиях одна из обезьян управляла анимиро-ванными руками и одновременно двигала реальные джойстики. Иначе говоря, мозг справлялся с управлением сразу четырьмя конечностями. Рискну предположить, что эксперимент с подключением к мозгу через интерфейс трех и более манипуляторов будет рано или поздно проведен. Вполне возможно, что самим Николелисом — это будет как раз в его стиле. Пока же он скромно обещает продемонстрировать первый управляемый мозгом экзоскелет во время церемонии открытия чемпионата мира по футболу, который состоится в 2014 году в Бразилии. На его родине.
1. «A Brain-Machine Interface Enables Bimanual Arm Movements in Monkeys», by P.J. Ifft; S. Shokur et al. Science Translational Medicine, 2013.