Ученые уже испытывают уникальные устройства, которые открывают перед человеком необъятные перспективы

– Кибермедицина – это внедрение в тело человека различных устройств, которые помогают исправить физические недостатки, бороться с тяжелыми болезнями и их последствиями, словом – максимально продлить нормальную, полноценную жизнь, – поясняет заведующий лабораторией Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, доктор биологических наук, профессор Александр Фролов. Ведущий ученый занимается исследованием устройства мозга на уровне нейронов, разработкой интерфейсов «мозг-компьютер» и их использованием для реабилитации больных после травм и заболеваний. В рамках Научного лектория – 2045, который проходит в Москве, эксперт рассказал о самых последних достижениях в области кибермедицины в России и других странах, а также о захватывающих перспективах, которые открываются перед человечеством.

«Видеть мозгом»

– Во всем мире уже широко применяются операции по протезированию почек: устройства, которые заменяют эти органы, могут работать в организме человека до 40 лет, – напоминает ученый. – От 2 до 7 лет способно поддерживать жизнь человека искусственное сердце. Активно разрабатываются протезы легких и печени. Правда, здесь пока успехи не столь внушительные: главный орган дыхания «живет» не больше 6 месяцев, а печень работает лишь 4 дня. Но это только начало.

В то же время кибермедицине удалось сделать то, что поражает воображение и многим до сих пор представляется научной фантастикой: протезирование сложнейшей системы органов зрения.

Как известно, нередко люди слепнут из-за гибели клеток сетчатки – это оболочка глаза, которая воспринимает изображение и преобразует в нервные импульсы. Они передаются в мозг, расшифровываются там, и мы получаем привычные зрительные образы предметов – видим их. Для тех, кто лишился такой возможности из-за травмы или болезни, американский ученый и врач-офтальмолог Уильям Добелль из Нью-Йорка создал уникальное устройство.

– Человек надевает очки, в которые помещена небольшая телекамера, и оптический сигнал от нее поступает в электрочип, вживленный в зрительную кору мозга на затылке, – поясняет Александр Фролов. – Чип состоит из электродов, при их возбуждении возникают вспышки света – фосфены (представить их себе можно, если слегка надавить на закрытый глаз). Таким образом, зрительная картинка, поступающая с телекамеры, преобразуется в определенный набор световых вспышек. Сначала они кажутся человеку хаотичными и беспорядочными, но по мере тренировок и использования в быту мозг начинает распознавать и привыкать к тому, что каждому предмету соответствует та или иная модель вспышек.

«Было сделано около 20 операций, они прошли успешно, один из пациентов даже смог водить машину», – рассказывает профессор Фролов. В 2004 году доктор Добелль, основавший свой институт в Нью-Йорке, умер, однако его коллеги в США и других странах продолжают исследования, чтобы ослепшие люди смогли получать более полноценные изображения окружающего мира.

Как сила мысли управляет роботом

В лаборатории Александра Фролова проводили опыт: на голову человеку надевается энцефалографическая сетка, которая считывает электрические сигналы мозга и передает для распознавания в компьютер. Испытуемого сажают перед экраном, выставляют на мониторе цель и предлагают довести до нее курсор… силой мысли. «Когда мы представляем себе определенное движение, в мозге возникает соответствующий электрический сигнал, – поясняет профессор. – Если уловить этот сигнал и расшифровать его с помощью компьютера, то можно передать необходимую команду какому-либо внешнему устройству и таким образом управлять им».

Подобный алгоритм использовал на практике один из пионеров нейрокибернетики, профессор Джон Донахью из Университета Брауна (США). Двоим пациентам – 58-летней женщине, парализованной более 15 лет назад, и 66-летнему мужчине, полностью обездвиженному после инсульта, вживили нейрочипы в двигательный участок коры головного мозга. Сигналы от мозга поступали на компьютер, обрабатывались и передавались манипулятору – роботу в виде руки. Пациентам нужно было воображать, что они двигают искусственной рукой в нужном направлении. Женщина тренировалась в течение 4 дней и в итоге смогла самостоятельно взять рукой-роботом и поднести себе термос с кофе. У мужчины получилось освоить протез быстрее: вскоре он смог силой мысли управлять манипулятором так, что киберпальцы хватали и сжимали поролоновый шар. «Мы близки к тому, чтобы вернуть парализованным возможность выполнять рутинные действия, которые совершают в обычной жизни миллиарды людей, не задумываясь о том, как это работает», – рассказал в одном из интервью доктор Донахью. Сейчас ученые работают над тем, чтобы создать искусственную руку с более быстрым и гибким управлением.

Протез сможет «чувствовать»

– Во всем мире развивается киберпротезирование для тех, у кого ампутированы руки или ноги, – продолжает Александр Фролов. Один из самых ярких примеров – южноафриканский бегун Оскар Писториус. Имея протезы вместо обеих ног, он стал победителем многих паралимпийских игр и даже успешно соревновался со здоровыми спортсменами. Причем, в течение нескольких лет Писториусу запрещали участвовать в обычных забегах под предлогом того, что уникальные протезы дают преимущества по сравнению с человеческими ногами. Но затем запрет был снят (сейчас Писториус обвиняется в убийстве подруги-фотомодели, над ним идет судебный процесс).

В прошлом году в Россию приезжал знаменитый «человек-киборг» Найджел Экланд. На пресс-конференции в «КП» он показал журналистам, как искусно управляется бионическим протезом, заменяющим от локтя ампутированную правую руку. Найджел полноценно обслуживает себя в быту: готовит, водит автомобиль, печатает на компьютере. «Все, что мне нужно сделать, это представить, скажем, что я зажимаю шарик. Сигнал из мозга поступает в мускул культи, тот сокращается и передает импульс в двигатель протеза. Тогда киберпальцы сгибаются, и я могу что-то взять», – поясняет Экланд.

Сейчас ученые выходят на следующий этап: создание системы, которая будет передавать сигналы не только от мозга ко внешнему устройству, но и в обратном направлении. То есть через компьютер мозг сможет распознавать свойства предметов, к которым прикасается протез. Фактически человек научится «чувствовать» свою искусственную руку! «Для этого потребуется снабдить систему рецепторами, которые будут улавливать изменения конфигурации предмета, получать тактильные сигналы – все это позволит передавать в мозг ощущение ощупывания», – рисует захватывающую воображение картину Александр Фролов. В результате управление протезами максимально приблизится к полноценному действию человеческих рук и ног. Высокочувствительных роботов можно будет использовать для сложнейших операций в медицине, в научно-исследовательской сфере и других областях нашей жизни.

Мрзг + компьютер для восстановления после инсульта

Число больных с кровоизлияниями в мозг растет как у нас в стране, так и во всем мире. Одно из самых тяжелых последствий инсульта – паралич, который наступает из-за поражения двигательной зоны мозга. В этих случаях кибернетическая медицина может помочь в реабилитации. Именно таким проектом сейчас занимается команда профессора Фролова под эгидой Минздрава при совместном финансировании Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

– Доказано, что когда человек воображает движения рук или ног, то активируются те же отделы мозга, что и при реальных движениях, – рассказывает Александр Алексеевич. Во время тренировок пациентам надевают энцефалографические шапки, считывающие сигналы мозга, а части тела, которые нужно «расшевелить», вставляют в экзоскелет – устройство, соединенное с компьютером и повторяющее очертания тела. Человека просят представить себе, скажем, разжатие руки – поскольку после инсульта кисти часто сжимаются, и их невозможно самостоятельно разогнуть (это называется спастичность). Через компьютер сигнал из мозга передается экзоскелету, надетому на руку, и устройство разжимает кисть. «Важность этой процедуры в том, что когда воображаемое движение совпадает с реальностью – пусть и достигнутой с помощью внешнего приспособления, в мозге происходят уникальные пластические перестройки – процессы, которые восстанавливают двигательную функцию», – поясняет профессор Фролов.

Пока это экспериментальная технология, в которой участвуют 20 пациентов. Предполагается, что клинические исследования нового способа реабилитации продлятся еще три года. Если подтвердится их эффективность у большинства пациентов, то кибернетическую технологию можно будет вводить в официальные российские стандарты реабилитации после инсульта.

Кстати

Научный лекторий – 2045 – это просветительский проект общественного движения «Россия 2045». В рамках лектория ведущие эксперты регулярно выступают на разных площадках Москвы с научно-популярными лекциями, чтобы знакомить широкую аудиторию с последними достижениями науки и техники в нашей стране и за рубежом. Посещение лекций бесплатное — достаточно зарегистрироваться на сайте, где также можно узнать расписание лектория. Выступления транслируются по телемосту в ряд городов России, а также в онлайн-режиме в Интернете.