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.
