Эра киборгов. Как изменят человека нейротехнологии

• Нейротехнологическая революция
• Neuralink и другие
• Российский Нейронет

Американский регулятор FDA разрешил компании Илона Маска Neuralink испытания нейроимплантов на людях. Нейроинтерфейсами, или, как раньше говорили, системами «мозг — компьютер», занимаются сотни компаний во всем мире, в том числе в России. О том, с какими проблемами сталкиваются разработчики, — в материале РИА Новости.

Нейротехнологическая революция

Благодаря электроэнцефалографии (ЭЭГ), изобретенной в начале ХХ века, ученые выяснили, что нейроны передают друг другу информацию электрическими импульсами, установили назначение разных областей коры головного мозга.

В 1973-м профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Жак Видаль предложил понятие «нейрокомпьютерный интерфейс» (НКИ) и сформулировал задачу создания технологий, позволяющих преобразовывать мысленные намерения в реальные действия.

В большинстве нейроинтерфейсов информация проходит через четыре этапа: получение мозгового сигнала от поверхностных электродов (неинвазивный вариант) или вживленного чипа (инвазивный вариант); предварительная обработка сигнала и передача данных в компьютер; интерпретация и формирование цифровых команд; управление исполняющим устройством — клавиатурой или мышью компьютера, роботическим протезом, инвалидной коляской, автомобилем и так далее.

Схема работы нейрокомпьютерного интерфейса

Первые НКИ опробовали на животных в конце 1990-х. По сигналам нейронов зрительной системы кошки американские нейробиологи научились воссоздавать то, что видели животные. В другом эксперименте расшифрованные данные мозговой активности обезьян использовали для управления роботизированной рукой. Позднее, добавив петлю обратной связи, это применили для восстановления подвижности парализованных конечностей посредством электрической стимуляции мышц.

В наши дни о новых разработках сообщают постоянно. Прежде всего речь идет о помощи людям с ограниченными возможностями.

Например, пациентам с травмой спинного мозга, с параличом конечностей. Скоро они смогут «силой мысли» управлять протезами, контролировать инвалидную коляску, работать с информацией в компьютерах и смартфонах. Также тестируют мозговые чипы для страдающих эпилепсией, болезнью Паркинсона, слепотой и другими расстройствами.

Но испытания на людях только начинаются.

Neuralink и другие

В конце мая компания Neuralink Илона Маска получила от Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA) разрешение на такие испытания своего НКИ Link.

Чип размером с небольшую монету имплантирует в череп высокоточный хирургический робот. Тысячи крошечных нитей соединяют чип с нейронными цепочками в мозге. Bluetooth поддерживает связь с компьютером.

В Neuralink утверждают, что Link способен управлять протезами конечностей, а также совершить революцию в лечении болезни Паркинсона, эпилепсии и последствий травмы спинного мозга. Кроме того, разработка пригодится при терапии ожирения, аутизма, депрессии, шизофрении и ряда других недугов.

Этот проект — самый громкий, но не единственный и далеко не первый. Эндоваскулярный НКИ Stentrode компании Synchron уже опробовали на пациентах с тяжелым параличом. Эксперимент продолжался 12 месяцев. Все это время нейроимплант, который через кровеносные сосуды ввели в мозг четырем добровольцам, успешно передавал нейронные сигналы на компьютер. Парализованные управляли инвалидной коляской, пользовались электронной почтой, создавали текстовые сообщения, вели личные финансы, совершали онлайн-покупки, общались с персоналом клиники.

Инженеры американской Science Corporation совместно с учеными-офтальмологами из Медицинской школы Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско создали на основе НКИ зрительный протез Science Eye для пациентов с пигментным ретинитом и возрастной дегенерацией желтого пятна — двумя разновидностями приобретенной слепоты, не поддающимися лечению.

При таких заболеваниях светочувствительные клетки задней части глаза — фоторецепторы — погибают, но зрительный нерв сохраняется. В Science Eye генная терапия сочетается с нейроимплантом — тонкопленочной сверхплотной панелью дисплея microLED, вставляемой непосредственно над сетчаткой.

Поступающие туда данные преобразуются в сигнал, оптогенетически передающийся на зрительный нерв. В оправу специальных очков встроены бинокулярные камеры, датчики, процессор, блок инфракрасного соединения с имплантом и батареи питания. Понятно, что образы, генерируемые зрительным протезом, сильно отличаются от того, что видят люди с нормальным зрением. Но человек может оценить размеры находящихся перед ним предметов, расстояние до них, отличить движущиеся объекты от неподвижных.

Более пяти лет испытывают НКИ BrainGate, созданный неврологами и нейрохирургами Массачусетской больницы общего профиля в сотрудничестве с коллегами из семи медицинских центров США. Интерфейс проверили на 14 пациентах с параличом после повреждения спинного мозга, инсульта ствола головного мозга, страдающих заболеваниями двигательных нейронов, или мышечной дистрофией. Главный элемент BrainGate — подкожный чип с массивом микроэлектродов, имплантированных в первичную моторную кору, который передает сигналы от головного мозга к различным вспомогательным устройствам и компьютеру.

Исследователи из стартапа Onward, возглавляемого Грегуаром Куртином из Швейцарского федерального технологического института Лозанны, специально для 38-летнего пациента, парализованного после автокатастрофы, разработали сложный НКИ. Первый элемент, находящийся на голове, расшифровывает сигналы мозга, инициирующие движения, и передает их во второй — в отделе спинного мозга, отвечающем за моторику ног. Этот «цифровой мост» позволяет обойти поврежденный шейный участок. Благодаря алгоритмам искусственного интеллекта, интегрированным в НКИ, система научилась понимать нейронные сигналы, связанные с различными мышечными сокращениями, и пациент смог самостоятельно вставать, ходить, подниматься по лестнице и даже преодолевать неровности рельефа местности.

Устройство «Цифровой мост» стартапа Onward вернуло подвижность парализованному пациенту

Есть и другие примеры успешного испытания нейроимплантов на людях в США и других странах.

«У нейроимплантации довольно долгая история, — говорит нейрофизиолог, доцент Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ, доктор медицинских наук Сергей Гуляев. — Впервые эти идеи появились в 1930-х и к 1960-м оформились в технологию стереотаксической глубокой стимуляции, которая способствовала возникновению новых методов лечения болезни Паркинсона, алкогольных и наркотических зависимостей, а также эпилепсии».

Однако трудности внедрения инородных объектов в человеческий организм, возможное инфицирование и отторжение имплантов тормозили широкое применение НКИ в медицине. «Все это решается технологиями биопринтинга, разработкой тканесовместимых полимеров и нанотехнологий. Так что тут сейчас настоящий ренессанс», — отмечает ученый.

Российский Нейронет

В России в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ) развивается направление «Нейронет» с задачей создания «средств человеко-машинных коммуникаций, основанных на передовых разработках в нейротехнологиях и повышающих продуктивность человеко-машинных систем, производительность психических и мыслительных процессов». Основали одноименный отраслевой союз — некоммерческое партнерство, объединяющее тысячи специалистов и экспертов, сотни малых предприятий. Запустили десятки проектов.

«В 2015-м мы сформулировали дорожную карту, свое видение того, какие технологии на горизонте десяти-двадцати лет выйдут из лабораторий и превратятся в реальные продукты, сервисы, — рассказывает лидер рабочей группы по разработке и реализации дорожной карты «Нейронет», заведующий кафедрой инновационной фармацевтики и биотехнологии МФТИ, глава фармкомпании «ХимРар» Андрей Иващенко. — Один из шести сегментов этого плана посвящен нейромедтехнике. Там собрали все, что так или иначе связано с нейротехнологиями в медицине: оборудование, экзоскелеты, протезы, нейроинтерфейсы — инвазивные и неинвазивные способы присоединения человека к машинам».

В «Сенсор-Техе» уже готов имплант для восстановления зрения Elvis. Микрочип на черепе стимулирует слабыми токами зрительную кору головного мозга. Внешняя гарнитура из обруча с камерой, закрепленной на голове, и микрокомпьютерного блока обрабатывает изображение с помощью интеллектуальных алгоритмов. У проекта есть частные инвесторы. Испытания на людях стартуют в следующем году.

Компания «Моторика» совместно с Медицинским центром Дальневосточного федерального университета и Центром нейробиологии и нейрореабилитации имени В. Зельмана «Сколтеха» тестирует нейромодуляционную платформу NEMO Sensitive, предназначенную для купирования фантомных болей и очувствления протезов конечностей. Разработка относится к группе инвазивных НКИ. В ноябре 2021-го во Владивостоке двум мужчинам, потерявшим кисти рук, вживили электроды, соединяющие сохранившиеся нервные окончания с механическими пальцами. После операции пациенты смогли ощутить силу сжатия протеза, почувствовать предмет и даже его температуру.

В рамках консорциума центра «Бионическая инженерия в медицине» НТИ специалисты «Моторики» с учеными из Самарского государственного медицинского университета создают нейроинтерфейсы для управления протезами верхних и нижних конечностей. Продолжаются исследования на животных.

Для этих и других российских проектов инвазивных НКИ нужны клинические испытания, лицензирование и одобрение Росздравнадзора. Но главное — источник финансирования.

«Клинические испытания на несколько порядков дороже, чем доклинические исследования, — отмечает Иващенко. — Без государственной поддержки все так и останется на уровне опытных разработок. Наши геополитические конкуренты перешли к клиническим испытаниям. Значит, нам срочно надо реализовать существующие заделы, переводить их на следующий уровень».

«Пока ни один проект в мире не стал коммерческим, — продолжает руководитель лаборатории нейроробототехники МФТИ, генеральный директор группы компаний «Нейроботикс» Владимир Конышев, отвечающий в «Нейронете» за сегмент нейромедтехники. — И Neurаlink, и «Сенсор-Тех» переходят к испытаниям на людях. По срокам пилотных исследований мы не отстаем. Мы отстаем в техническом плане, нет регуляторной базы. И финансирование у наших компаний совсем не такое, как у Илона Маска. Пока все держится на отдельных энтузиастах-разработчиках, поддерживаемых энтузиастами-инвесторами, и это нужно менять. Иначе для наших ребят, пострадавших в СВО, придется покупать оборудование у американцев».

Сегодня все чипы для нейроустройств производят в США. Подавляющее большинство разработок и научных публикаций на эту тему — тоже американские.

«Причина — в слабости нашего образования в области нейронаук, — объясняет Конышев. — У нас традиционно сильная фундаментальная наука, а весь мир активно движется в сторону современных технологий. Пока у нас не появятся профессионалы в этой области, мы будем отставать. Сейчас очень трудно найти сотрудников для нейротехнологических проектов. К счастью, ситуация постепенно меняется. В этом году в РНИМУ имени Н. И. Пирогова открывают магистратуру по нейропротезированию».

Недавно правительство утвердило Концепцию технологического развития до 2030 года, в которой перечислены основные направления, необходимые для «достижения технологического суверенитета и перехода к инновационно ориентированному экономическому росту». Впервые среди приоритетов указаны нейротехнологии.