Статьи
Статья

Подключение к мозгу

Увлекательный рассказ сотрудника лаборатории нейроинтерфейсов МГУ, нейрофизиолога Даниила Кирьянова о жуках-киборгах, внедрении чипов в мозг и механических руках во время Science Bar Hopping в Москве.

Сначала я хотел бы немного поговорить про современные интерфейсы взаимодействия мозга с компьютером, а потом немного пофантазировать о том, как в дальнейшем это может повлиять на эволюцию нашего сознания и вообще на развитие человечества.

Как-то, будучи еще студентом Бауманки, я был крайне впечатлен лекцией Александра Каплана про нейроинтерфейсы. Я тогда учился на программиста, и для меня стало настоящим откровением, что можно научить мозг подстраиваться и подавать такие сигналы, чтобы электронная система воспринимала их как управляющие. Иными словами, организовывать интерфейс «мозг — компьютер», где одной мыслью можно подать вполне уверенную команду.

Уже тогда я вдохновился идеей подключения человеку дополнительных конечностей а-ля герои «Человека-паука». Вторая идея, которая меня впечатлила давным-давно, — это лекция Мишеля Махарбиза про жуков-киборгов. Это история о том, как ученые выращивали личинки с имплантированными в них электродами. Это меня настолько впечатлило, что я некоторое время даже разводил этих насекомых.

Хочу поговорить об эксперименте, проведенном в 2012–2013 годах в США. В ходе данного эксперимента полностью парализованной пациентке установили инвазивный нейроинтерфейс, который позволил человеку, уже утратившему нормальную подвижность конечностей, полностью себя обслуживать с помощью механической руки. Вплоть до того, чтобы кормить себя этой рукой и поить. Конечно, женщина научилась пользоваться этой рукой хуже, чем своей собственной (пока та была подвижна), но, однако, в достаточной степени, чтобы обслуживать себя во многих сферах жизнедеятельности. Этот тип интерфейсов называют инвазивным, то есть это интерфейсы, которые для функционирования требуют внедрения чипов и электродов в мозг.

Конкретно мы занимаемся неинвазивными нейроинтерфейсами. С инвазивными, требующими вмешательства, у нас в России есть большие сложности, во многом юридического характера.

Поговорим о том, как же происходит обмен информацией в мозге. Возьмем нейроны, выделенные из организма крысы, у которой в клетках экспрессируется зеленый флюоресцентный белок GFK, просто чтобы они светились). У нейрона есть тело и длинные отростки — нейриты, по которым как раз бегают электрические сигналы от нейрона к нейрону. Огромное количество нейронов, образующее мозг, во время своей работы создает вокруг себя, если можно так выразиться, электрический шум. И это не какой-то информационный сигнал, а именно шум. Например, как гул от работающей фабрики. И именно такой шум ловится с помощью метода, называемого энцефалографией.

Его изобрел немецкий ученый Ганс Бергер в начале XX века. И, что интересно, экспериментировал он тогда на своем сыне. Бергер был психиатром и пытался найти метод диагностирования шизофрении. Он придумал снимать с поверхности кожи головы электрические сигналы (кстати, достоверного приборного метода диагностирования шизофрении никто до сих пор так и не изобрел.)

Любопытная деталь: в те времена, когда работал Ганс Бергер, метод, который он изобрел, не был совсем неинвазивным. Он втыкал под кожу иглы. Электроды не устанавливались, как сейчас, на гель, а весьма жестким способом вводились пациенту. И конечно, возникали проблемы с фильтрацией сигнала. Ее попросту не было, так как не было компьютеров. Все данные с энцефалографа писались прямо на бумагу.

Так или иначе Бергер открыл первые и самые известные ритмы ЭЭГ. Наиболее интересен для нас альфа-ритм. Он возникает при расслабленном состоянии человека и при закрытых глазах. Этот ритм наиболее яркий и всегда виден в ЭЭГ, специалисты до сих пор по нему определяют, работает ли у нас вообще энцефалограф. То есть, если человек закрывает глаза и у него идут характерные, почти синусоидальные волны примерно в диапазоне около 10 Гц, — значит, это уже явный альфа-ритм. В активном состоянии Бергер обнаружил «бета-волны», имеющие более высокую частоту.

Как же ритмы мозга используются в современной науке? Приведу пример. Если пациент перенес инсульт и у него своя рука не двигается, но подводящие пути и мышцы (как это обычно при инсульте бывает) не пострадали (потому что при инсульте страдает мозг, а не механическая система управления конечностями), ему на руку надевают своеобразный экзоскелет. И можно сделать такой тренажер: пациент фокусирует внимание на каком-то из пальцев экзоскелетной конструкции, и она приходит в движение. В этот момент мозг ловит взаимосвязь между своим намерением подвигать пальцем и его реальным движением, которое по сигналу обратной связи из сухожилия его пальца приходит обратно в мозг. Таким образом, это позволяет использовать пластичность мозга и обучить другие зоны управлять этой конечностью взамен пострадавшей при инсульте.

А мозг действительно способен на просто фантастическую пластичность. Есть примеры, когда у человека полностью отсутствовало одно полушарие, но при этом сохранялась нормальная психическая деятельность. Даже одно полушарие может взять на себя функции всего мозга целиком. Конечно, это вопрос времени и вопрос, насколько качественно, однако это однозначно возможно.

Читайте также
Кто выиграет гонку: вирус, иммунная система или технологии?
Кто выиграет гонку: вирус, иммунная система или технологии?
Прямо сейчас происходит гонка нашей иммунной системы, науки, технологии и вируса
От искусства до науки: 10 фактов из истории криптографии
От искусства до науки: 10 фактов из истории криптографии
Вы точно сталкиваетесь с криптографией каждый день, даже если не осознаете этого.
Новые открытия дают надежду на лечение рака без побочных эффектов
Новые открытия дают надежду на лечение рака без побочных эффектов
Есть ли альтернатива химиотерапии, лучевой терапии и противораковым препаратам?