В экзоскелете (тренажере) к каждому пальцу крепится рычажок, соединенный с миниатюрным моторчиком. Он и заставляет палец принимать разные положения. По мнению медиков, занимающихся реабилитацией больных, переживших инсульт, труднее всего поддаются восстановлению кисть руки и моторика пальцев. Поэтому лаборатория нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ, которую возглавляет А.Каплан, взялась за эту проблему. Теперь главный вопрос: как работает эта необыкновенная конструкция? Кто-то же должен ее включать?
- При инсульте важно не только укреплять мышцы, но надо восстанавливать и систему управления пальцами, - рассказывает Александр Яковлевич. - За это отвечает мозг, команду дают нейроны. А побуждает их к этому намерение пациента. Мысленно он представляет себе движение, скажем, большого пальца - и тот начинает шевелиться. Помогает выполнить желание пациента наша технология “интерфейс - мозг - компьютер”.
На голову больного надевают шапочку с электродами, они регистрируют электрические потенциалы мозга величиной в микровольты. Электроды соединены с усилителем размером со спичечный коробок, он в миллион раз увеличивает потенциалы мозга, которые расшифровывают намерения человека, например, сжать кулак. И как только такое намерение обнаруживается, моторчики экзоскелета тут же включаются и сгибают пальцы в кулак. Но самое сложное в технологии “интерфейс - мозг - компьютер” - создать алгоритмы распознавания намерения в непрерывной череде электрических потенциалов. У нас на это ушло несколько лет. Многокомпонентная программа позволяет выхватить из потока сигналов тот, который соответствует ожидаемому намерению пациента, чтобы преобразовать его в команду моторчику.
- Сотни тысяч нервных клеток непрерывно генерируют электрические импульсы. Если вывести их на компьютерный монитор, то увидим хаотические кривые. Из этого потока нужно вычленить и “вырезать” интересующий нас сигнал о намерении пациента пошевелить пальцем. Это все равно, что подвесить микрофон над толпой, выкрикивающей лозунги на разных языках мира, и суметь разобраться в этой какофонии. И все же нам это удалось. Мы говорим больному: думай, как ты сожмешь в кулак правую ладонь, и следим как это его намерение отражается на кривых, появляющихся на мониторе. Затем просим сжать левый кулак и сравниваем изменяющуюся электрическую активность. Повторяем эксперимент, пока не научимся понимать, какая кривая какому намерению соответствует. Конечно, достичь этого трудно, но у нас в конце концов получилось. Теперь мы знаем, как конкретные пожелания человека отражаются на электрической активности мозга. Но мы никогда даже близко не приблизимся к чтению самих мыслей человека, лишь сможем уловить их отголоски, регистрируя электрическую активность мозга. Если удалось расшифровать намерение, то дальше дело техники. Обнаруженный признак намерения преобразуется нейроинтерфейсом в команду для моторчиков экзоскелета, например, согнуть кисть в кулак. Так замысел превратился в действие. Это самое важное звено нашей технологии. Мозг как бы втягивается в действо, подбирает такие комбинации нервных клеток, которые обходят поврежденные участки нейронов и выполняют намерение человека.
- Да. Если мозг получает сведения, что его команды хоть и через интерфейс, но выполняются, то продолжает свои усилия, пробуя все новые комбинации нейронов, пока не найдет удачную и кисть сама, без экзоскелета, не начнет отзываться на команды мозга. В противном случае, без интерфейса, мозг после бесполезных попыток прекратит тренировки, и через два-три месяца рука навсегда перестанет работать. А с интерфейсом все будет зависеть от человека: хватит ли у него упорства, характера, воли к жизни, чтобы восстановить двигательную функцию.
- Экзоскелетный тренажер мы сделали за полтора года. Почти год опробовали его на здоровых людях и очень довольны результатами. Но совсем другое дело испытать его на пациентах, переживших инсульт. Часто они находятся в состоянии депрессии, у них нарушено внимание - в общем, им не до экспериментов. Однажды мы пришли домой к пациентке лет 65. Она не могла ни двигаться, ни говорить, а дышала с помощью аппарата искусственного дыхания. Это был едва ли не самый тяжелый случай в нашей практике. Но женщина хотела попробовать. Для начала мы вывели на монитор компьютерную клавиатуру и мысленными усилиями, прошедшими через интерфейс, она смогла выбрать нужные буквы и сложить в имя ухаживавшей за ней сестры. Это была своего рода благодарность.
Метод тот же, только задача иная - напечатать буквы на экране. И если пациент ошибается, то может стереть написанное и попробовать снова. Эту технологию мы разработали за три-четыре года и опубликовали статьи в отечественных и зарубежных журналах. Результаты на мировом уровне: в 95 случаях из 100 задуманная буква была выбрана правильно. Следующий шаг - научить пациента силой намерения подавать команды для управления инвалидным креслом: вперед-назад, налево-направо, а затем и вертикализатором, поднимающим лежачих пациентов на ноги. Таковы возможности наших нейрофизиологических методик и алгоритмов, позволяющих расшифровывать пожелания пациентов.
Сегодня наша технология “интерфейс - мозг - компьютер” “сдает экзамен” в Первой градской больнице. Это совместная работа с Медицинским университетом им. Н.И.Пирогова. Более 20 больных прошли специальный отбор. У них есть желание с нами сотрудничать, и скоро мы узнаем, в каких случаях наш метод дает эффект, а в каких нет, что нужно доработать и как лучше освоить тренажер. Первые больные, одевшие экзоскелет, справились с заданием: им удалось сжать в кулак неработающую кисть. Если все сложится удачно, пациент овладеет тренажером и пальцы сами начнут отзываться на команды мозга, про экзоскелет можно будет забыть. Ведь тренажер все равно что костыль - он служит больному лишь в самый трудный период, когда мозгу нужно помочь не прерывать попытки “подключиться” к неработающей кисти руки. Эта программа рассчитана у нас до конца 2016 года. Постараемся усовершенствовать тренажер, сделать его более удобным для больных. Откажемся, например, от проводов и перейдем на беспроводные устройства. Вместе с университетом им. Н.И.Пирогова делаем нейрокоммуникатор, позволяющий лишенным голоса постинсультным больным связываться с медперсоналом. Чтобы вызвать медсестру, им достаточно будет сфокусировать внимание на кнопке пульта управления. Пациенты научатся менять положение автоматизированной кровати: подавать команды на ее моторчики, чтобы, скажем, поднять или опустить изголовье. Нейрокоммуникатор сдаем в конце года. На днях постараемся “оживить” кресло-вертикализатор. Это не просто инвалидное кресло, которое едет вправо-влево. Оно может постепенно поднимать человека, чтобы он принял вертикальное положение, - представляете, как это важно для лежачих или сидячих парализованных больных! И сделают это они сами - простым намерением, но с помощью нейроинтерфейса.
- Оно уже помогает. Министерство здравоохранения приняло программу по созданию нейрокоммуникационных и нейротренажерных систем на основе нейрокомпьютерных интерфейсов. Началось финансирование нескольких рабочих групп, в том числе нашей лаборатории. Нас поддерживает МГУ, предоставивший лаборатории новые помещения, в которых работают студенты и аспиранты. Помогает Минпромторг, вложивший средства в разработку собственной экзоскелетной конструкции. А недавно, победив в трудном конкурсе, мы выиграли достаточно весомый грант Российского научного фонда. На средства гранта я организовал лабораторию в Нижегородском госуниверситете. Теперь там также разрабатывают нейрокомпьютерные технологии с сильным медицинским уклоном. Нам очень важно внимание РНФ - ведь на сегодняшний день именно этот фонд предоставляет крупные гранты для поддержки не только выходящих на рынок технологий, но и тех, которым еще предстоит пройти клинические испытания.
Мы подписали соглашение о совместной работе по нейроинтерфейсной тематике с Самарским медицинским госуниверситетом. Помогаем ему сформировать команду энергичных докторов-исследователей для внедрения нейроинтерфейсов. Так мы вовлекаем в нашу работу свежие силы, создаем условия для новых прорывных решений. Иначе нельзя: разработчики за рубежом вот-вот выведут на рынок медицинской техники тренажеры на основе технологии “интерфейс - мозг - компьютер”. И мы окажемся в ситуации, когда проще будет купить “за бугром”, чем сделать самим.
- В фундаментальных исследованиях мы идем практически на равных с иностранными коллегами: в чем-то сильнее мы, в чем-то они. Но вот что важно: в нашей стране эти разработки ведут всего 4-6 лабораторий, а в Америке 30-40, в Германии 10-12, в Китае - несколько десятков. Это мощные, хорошо финансируемые коллективы, погруженные в развитую инфраструктуру межлабораторных связей. И мы достаточно интегрированы в мировую науку: участвуем в международных конференциях, бываем в иностранных лабораториях, а зарубежные коллеги в наших.
Этим летом я много времени провел в лаборатории Ричарда Андерсена в Калифорнийском технологическом институте Лос-Анджелеса. Для регистрации электрической активности мозга американцы действуют напрямую: электроды накладывают не на голову, а вживляют непосредственно в мозг - это надежный и перспективный способ получения команд от мозга для нейроинтерфейсов, но требующий нейрохирургической операции. Мы договорились, что попытаемся освоить эту технологию в России. По нашему приглашению ведущий нейрохирург из Медицинской школы Южнокалифорнийского университета в Лос-Анджелесе Чарлз Лю недавно посетил своих коллег в Москве, и они обсудили возможности совместной работы. По мнению наших нейрохирургов, оснащение отечественных операционных, отработанные технологии и навыки докторов позволяют легко проводить операции по вживлению электродов. Но есть сомнение: стоит ли нам осваивать инвазивные нейроинтерфейсные технологии? На мой взгляд, браться за это надо обязательно. Вживляя электроды в мозг пациента, мы как бы открываем окошко и видим детальную картину нейронных отношений. Это и пациентам помогает, и ученым позволяет совершенствовать неинвазивные подходы. Возможно, таким образом удастся не только набирать буквы и двигать инвалидное кресло, но и управлять механической рукой, в значительной степени замещающей функции парализованной руки. Мы можем вместе разрабатывать практичные нейроинтерфейсы.
Учтем и то немаловажное обстоятельство, что инвазивные нейроинтерфейсные технологии стоят сотни тысяч долларов. В то время как при совместных разработках могут появиться на порядок более дешевые варианты, а наш нейрокоммуникатор, например, позволяющий человеку, потерявшему речь, набирать текст на мониторе, в промышленном исполнении сегодня может стоить не более 400 долларов. Правда, экзоскелет обойдется дороже - примерно в 1000 долларов. Но это тренажер, пациент им может пользоваться месяцами. Возможно, в госпитальных учреждениях удастся создать центры коллективного пользования нейротренажерами и сдавать их в аренду.
- Да. Предпринимаются попытки разработать, скажем, методы нейроинтерфейсного управления роботами или манипуляторами, когда они работают в опасных для человека зонах. Хорошо, если в нужный момент оператор сможет одним мысленным усилием скорректировать действия робота. То же и в хирургии. Случается, что хирургу просто не хватает рук, и тогда прямая команда мозга исполнительному инструменту здорово облегчит ему жизнь. Пока что технология “интерфейс - мозг - компьютер”, я бы сказал, “бежит впереди паровоза”, впереди собственно рыночных запросов. Но в самом недалеком будущем появятся “рельсы” - откроются широкие возможности применения. Объявленная недавно президентом Национальная технологическая инициатива в одном из своих главных проектов - CoBrain - готова трансформировать наши фундаментальные разработки в области нейроинтерфейсных технологий в рыночные продукты. Надеюсь, среди них достойное место займут и наши совместные с РНИМУ им. Н.И.Пирогова нейрокоммуникаторы с нейротренажерами для реабилитационной медицины.
