Вылечить депрессию или заболевания мозга, помочь парализованным снова двигать конечностями, а слепым видеть, устранить хронические боли, использовать WhatsApp непосредственно через мозг или управлять животными — все это уже сегодня позволяют осуществить нейрочипы. Еще недавно подобные идеи казались чем-то из разряда фантастики, однако сейчас начинают реализовываться на практике. Несмотря на то что такие технологии зачастую пугают обывателей, множество компаний вкладывают огромные ресурсы для разработки, оптимизации и тестирования мозговых имплантатов. «Лента.ру» рассказывает о последних достижениях в области нейроинтерфейсов и их применении на людях.
Без границ
Область назначения мозговых имплантатов потрясает своими масштабами. Основной целью большинства исследований является создание биоустройства, позволяющего стимулировать определенные области мозга. С помощью такого воздействия реально восстановить зрение и слух после инсульта или травм головы, облегчить проявления нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона. Также технология может восстановить двигательные способности у парализованных пациентов.
Кроме того, некоторые компании и исследовательские группы предполагают возможность применения нейрочипов для создания нейрокомпьютерных интерфейсов. То есть такие системы формируют двустороннюю или одностороннюю прямую связь между компьютером и мозгом для обмена информацией. Вместе с тем регулярно проводятся опыты на животных, они используются как для предварительного этапа испытаний перед внедрением людям, так и для измерений мозговой активности в сугубо научных целях.
Системы мозговых имплантатов обычно представляют собой непосредственно чип, аккумулятор для питания и компьютер для управления и визуализации. Чип посылает, блокирует или записывает (а также записывает и стимулирует одновременно) электрические импульсы либо отдельного нейрона, либо целых групп в определенных отделах мозга. До недавнего времени применение мозговых имплантатов было ограничено или считалось невозможным из-за вычислительных мощностей компьютера и недостаточного развития нейрофизиологии.
Опыты на грани
Самой известной и нашумевшей нейротехнологической компанией является, пожалуй, Neuralink. Этот стартап занимается разработкой первого малоинвазивного мозгового имплантата для людей. Однако исследовательская организация бизнесмена Илона Маска попала в скандал в середине февраля 2022 года из-за обвинений в жестоком обращении с животными.
Зоозащитники из «Комитета врачей за ответственную медицину» (PCRM) предъявили организации претензии в неэтичном обращении с подопытными обезьянами. По данным представителей PCRM, в Neuralink повреждали мозг животных, не оказывали должную ветеринарную помощь, после чего подопытные погибали в мучениях. Активисты даже подали обращение в Министерство сельского хозяйства США с требованием выписать штраф компании Маска и запретом на продолжение деятельности с животными.
Сотрудники PCRM были замечены не только в истории с Neuralink. Начиная с 2005 года они регулярно публично выступали против экспериментов с животными в любых целях. В свою очередь исследователи заявили, что все действия были согласованы с Институциональным комитетом по уходу и использованию животных (IACUC) в соответствии с федеральным законом, манипуляции над обезьянами проводились под наблюдением квалифицированных ветеринарных сотрудников, и им оказывалась вся необходимая помощь.
Кроме того, в Neuralink рассказали, что ни одно животное не испытывало мучений, а после завершения опытов их отправляли в вольеры, где они полноценно питаются, плавают и качаются в гамаках. После выбывания обезьян из списка испытуемых их отправляют в приюты. С тех пор никаких новых скандалов, связанных с нейротехнологической организацией, не было, и там продолжаются исследования.
Однако пока Neuralink только планирует начать вживление чипов людям, в Synchron уже проводятся успешные испытания. Компания была создана в 2016 году учеными из Мельбурнского университета. Уже к 2020 году они опубликовали данные об экспериментах с устройством Stentrode, который позволил подопытным использовать социальные сети лишь силой мысли.
Прочие некоммерческие исследовательские группы также занимаются собственными разработками. Например, в Лаборатории интегративных нейронных систем при институте RIKEN делают электродные матрицы для онлайн-визуализации нейронной активности, а в Лаборатории Блейка при Медицинском колледже Джорджии имплантаты использовались для мониторинга участков в области первичной слуховой коры головного мозга.
Сотрудники Университета Иллинойса в 2016 году объявили о создании микродатчиков для мозга, которые позволяют вести послеоперационный мониторинг, а затем саморассасываются, когда в них нет больше необходимости.
В России разработкой мозговых имплантатов занимаются специалисты из фонда поддержки слепоглухих «Со-единение» совместно с сотрудниками некоммерческой Лаборатории «Сенсор-Тех». Недавно они представили устройство, которое позволяет активировать различные органы чувств — например, зрение или слух. Один из видов чипов может помочь людям с различными неврологическими расстройствами, такими как синдром Туретта, болезнь Паркинсона, тремор или хронический болевой синдром. Пока что технология прошла последнюю стадию испытаний на обезьянах, а к 2024 году планируют перейти к экспериментам с добровольцами.
Силой мысли
Прежде чем организовать полноценные клинические испытания на людях, ученые тестируют разработки и препараты на животных. В случае с мозговыми имплантатами опыты на других биологических видах могут быть продиктованы не только необходимостью соблюдения сложившихся правил, но и наблюдением мозговой активности конкретного вида.
Так, еще в 2006 году в Медицинском колледже Джорджии провели эксперимент по изучению процесса функциональной адаптации мозга в процессе обучения сенсорному различию. Мозг обезьян стимулировали с помощью электродов и пытались их научить связи между изменениями звука и вознаграждением.
В 2001 году были опубликованы данные работы японских специалистов по дистанционному управлению мозгом тараканов. С помощью электрической стимуляции удавалось контролировать насекомого, включая движения по заданной траектории и повороты вправо и влево.
На подопытных одевались высокотехнологичные рюкзаки, вдвое превышающие вес самих тараканов, которые содержали в себе микропроцессорные и электродные системы. Вместо усиков насекомым вставили электроды, которые доставали до мозга и стимулировали его импульсами, когда ученые посылали сигналы с пульта.
Похожий эксперимент был проведен в 2022 году. Китайские исследователи из колледжа электротехники и автоматизации Шаньдунского университета науки и технологии испытали управление полетом голубей, причем теперь чип аккумулировали с помощью солнечных батарей.
Перед разработчиками стояла задача создать легкий источник питания, который будет обладать простой системой перезарядки. Небольшую литиевую батарею разместили на спине птицы, которая подпитывалась от солнечных панелей.
В ходе исследования удалось контролировать полет голубей на протяжении двух часов в ясную солнечную погоду. Также подопытные выполняли простые команды, например, поворот головы направо или налево. Успешного выполнения заданий удалось добиться в 80-90 процентах случаев, оставшиеся 10-20 процентов неудач ученые объясняли усталостью птиц или отвлекающими факторами.
Серия экспериментов команды Теодора Бергера из Университета Южной Калифорнии иллюстрировала возможность «включения» памяти крыс с помощью посылаемых электрических импульсов. Сначала грызунам блокировали формирование долговременной памяти через ввод определенных препаратов, а затем активизировали память электродами.
В ранее упомянутой компании Neuralink тоже добились впечатляющих результатов в промежуточных испытаниях на обезьянах. С помощью вживленного чипа подопытная по кличке Пейджер играла в симулятор пинг-понга MindPong силой мысли.
Введенный под кожу имплантат принимает в себе информацию из 2048 каналов, что в 20 раз больше, чем чипы, созданные в других лабораториях. Устройства Neuralink позволяют не только обрабатывать поступающие из мозга импульсы, но и выявлять определенные намерения пользователя.
Обезьяна буквально телепатически вступает в видеоигру, используя мозговой чип!
Илон Маск
Он также пошутил, что скоро животные заведут собственные аккаунты в игровых сервисах на Twitch и Discord
На сайте компании сообщается, что это лишь первая демонстрация возможностей чипа N1 Link. В дальнейшем имплантат должен помочь пациентам с ограниченными возможностями использовать современные технологии, например, выходить в интернет прямо из мозга.
«С развитием нейрокомпьютерного интерфейса в долгосрочной перспективе эта технология позволит расширить каналы связи между внешним миром и мозгом человека, получить доступ к другим областям мозга и новым нейронным данным», — рассказал Маск.
От животных к людям
Первым человеком, которому вживили мозговой имплантат, стал парализованный американец Мэтью Нейгл. Устройство назвали BrainGate, оно позволило перемещать курсор на компьютере, когда пациент визуализировал у себя в голове, как он двигает руками в реальности. С помощью этой технологии мужчина даже научился включать телевизор, переключать каналы и управлять роботизированной рукой.
В 2016 году специалисты из Университета Джонса Хопкинса создали чип, который помогал двигать отдельными пальцами рук на протезе. Точность такого способа достигала 96,5 процента.
Одним из самых впечатляющих результатов в области нейробиологии стала публикация данных исследования от компании Synchron. С 2016 по 2020 год специалисты в сотрудничестве с университетом Мельбурна провели ряд экспериментов по вживлению чипа людям в Австралии. После вмешательства добровольцы могли переписываться в WhatsApp и совершать онлайн-покупки силой мысли, без использования дополнительных устройств.
Недавно ученые впервые имплантировали интерфейс мозг-компьютер под названием Stentrode человеку в США, где более строгое законодательство, чем в Австралии. Мужчина был болен БАС (боковым амиотрофическим склерозом). Операцию провел нейрохирург Шахрам Маджиди 6 июля 2022 года в нью-йоркском госпитале Mount Sinai West.
Сам чип представлял собой цилиндрическую сетку-матрицу с пластичными электродами длиной примерно 3,8 сантиметра и 16-ю точками подключения. Имплантат ввели в яремную вену на шее с помощью катетера, после чего устройство переместилось по кровотоку вглубь черепа к моторной зоне головного мозга, а тонкий провод связал ее со вторым имплантатом, вживленным в грудную клетку, для передачи связи по Bluetooth с компьютером или смартфоном. Через 48 часов мужчина уже был выписан из больницы.
После тренировки пациенту предоставили возможность управления курсором на девайсах. Для нажатия и перемещения курсора пользователь пока не может использовать электрические импульсы мозга напрямую. Для этой цели служит некий «айтрекер», который отслеживает движение глазниц, подобно тому, как работала система управления Стивена Хокинга. Полноценное использование Stentrode лишь при помощи мозговых сигналов в перспективе возможно, но требует большего количества подключений к мозгу.
Соучредитель и главный исполнительный директор Synchron доктор Том Оксли планирует провести операции по вживлению до 16 Stentrode в 2023 году. Большинство устройств хотят использовать на людях с БАС, но авторы также предполагают, что их чипы могут быть полезны для людей, перенесших инсульты и травмы спинного мозга или страдающих рассеянным склерозом.
Лечение заболеваний мозга, в частности — депрессии, путем электростимуляции недавно протестировала исследовательская группа из Сент-Луиса. Спонсором выступила компания Inner Cosmos, занимающаяся имплантацией устройств для мозга. Тенденция на малоинвазивные виды вживления чипов прослеживается и в этой работе. Во-первых, такая технология введения не так сильно пугает потенциальных пользователей, а во-вторых, сокращает период реабилитации и сокращает риски. Чип был имплантирован лишь в кость черепа, а не в ткани мозга.
В процессе испытаний добровольцу с имплантатом в течение 15 минут в день подавались электроимпульсы в дорсолатеральную префронтальную кору. Также измерялась активность нейронов для оценки и последующей коррекции необходимого количества стимуляции. Эксперименты планируют продолжать еще в течение года и расширить выборку участников. Авторы хотят выявить наиболее эффективную часть мозга для воздействия в целях лечения депрессии.
***
Во многом технологии нейроинтерфейсов все еще находятся на ранних этапах развития. Основная масса исследований заключается в оптимизации самих чипов и изучении реакции человеческого организма на имплантат: какие области необходимо стимулировать, насколько чипы правильно считывают мозговые импульсы и то, что именно человек сможет делать при помощи устройств.
Один из нераскрытых секретов мозговых имплантатов за последние два десятилетия заключается в том, что они ни разу по-настоящему не использовались для самостоятельного домашнего применения
Дэвид Путрино, директор по реабилитации клинических инноваций больницы Маунт Синай
Для улучшения функций чипов применяются новейшие методы, например, искусственный интеллект (ИИ). Так, сотрудники Университета Торонто прибегли к нейросети с алгоритмами глубокого обучения (deep learning, DL) для создания более компактных имплантов, которые потребляют меньшее количество энергии. Для этих целей решили использовать металл-оксидные полупроводники, позволяющие добиться уменьшения энергопотребления в долгосрочной перспективе. ИИ помог выявить скрытые биомаркеры, а также вычислить лучшее время для активации чипа в определенном состоянии пациентов.
Для полноценного внедрения технологий мозговых имплантатов ученым необходимо преодолеть еще множество проблем. Одной из таких является биосовместимость нейроинтерфейсов. Дело в том, что пока запись нейронных сигналов предоставляет корректные данные только в течение двух недель. Затем организм формирует иммунный ответ и происходит инкапсуляция электродов.
Кроме того, явственно стоит этический вопрос. Воздействие на мозг человека в исследовательских целях считается недопустимым и неоправданным риском для здоровья, а иногда и жизни добровольцев. Вместе с тем получение доступа к управлению мозгом открывает пути для злонамеренных манипуляций.
