Гроссмейстерская задача

В XXI веке, на взгляд специалистов, одно из важнейших мест среди наук займет нейробиология, а главным фактором для создания новейших технологий будут служить исследования мозга. Его принцип работы таил, да и таит еще массу загадок для исследователей. Например, одна из них - каким образом мимолетная мысль человека приводит в движение мышцы тела, причем в той последовательности, которая соответствует конкретному действию? До сих пор не разгадана тайна недоступного компьютерам практически мгновенного узнавания лиц, распознавания интуитивных озарений, творческих открытий, а более широко - тайна сознания человека.

Если в минувшем столетии на первом месте были успехи молекулярной и генной биологии, то в XXI веке будущее принадлежит нейрокогнитивным технологиям. И одна из технологий современности - прямая коммуникация между мозгом и компьютером без посредства мышц. Почему бы не научиться человеку посылать мысленные команды непосредственно к исполнительным устройствам, обходя нервы, по которым обычно мозговые команды передаются к мышцам, и сами мышцы, которые исполняют эти команды? 

Инструмент для коммуникации

«Электроэнцефалография - окно в мир психической деятельности человека. Интерфейс «мозг - компьютер». Так называлась лекция, с которой выступил в Центральном доме ученых профессор Александр Каплан, ведущий научный сотрудник кафедры физиологии человека биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Он считает, что электроэнцефалография - не просто один из технологических подходов к изучению механизмов деятельности мозга и психического состояния человека, но и инструмент для прямой коммуникации между мозгом и внешней средой.

В самом деле, клетки мозга, как уже давно известно, обмениваются информацией благодаря электрическим импульсам. Чтобы подключиться к этой внутренней коммуникации мозга, исследователям нужно было найти путь регистрации электрических полей нервных импульсов, не внедряясь в сам мозг. Например, на поверхности черепа. Расчеты показывали, что это могут быть лишь какие-то миллионные доли вольта. Впервые такое удалось сделать в 1929 г. немецкому психиатру Г.Бергеру. Применив самые чувствительные в то время гальванометры, он смог получить непрерывную запись разности потенциалов между электродами. Так родился метод электроэнцефалографии.

Уже в первых исследованиях Бергер обратил внимание на то, что характер колебаний мозговых потенциалов зависит от функционального состояния человека: бодрствует ли он или спит, занят ли какой-то трудной задачей или просто отдыхает... Например, в спокойном состоянии с закрытыми глазами у человека наблюдаются волны достаточно высокой амплитуды с частотой примерно 10 колебаний в секунду. Таким волнам присвоили название «альфа-ритм». Если же человек решает трудную задачу, то альфа-ритм сменяется в 2 раза более частыми колебаниями гораздо меньшей амплитуды - это уже бета-ритм. Всё говорило о том, что метод ЭЭГ станет высокоинформативным инструментом для исследования мозга и диагностики его заболеваний. Современные микропроцессорные усилители ЭЭГ подсоединяются к компьютеру и составляют единый комплекс регистрации и цифровой обработки сигнала. В настоящее время это самый быстродействующий и практичный метод наблюдения за жизнедеятельностью мозга в норме и при его патологиях.

Профессор А.Каплан - известный специалист в области анализа ЭЭГ и использования этого сигнала для изучения механизмов деятельности мозга человека при действии лекарственных средств, в состояниях медитации и нервно-психических нагрузок, для диагностики некоторых психиатрических патологий. Несколько лет назад он задумал применить электроэнцефалограмму для прямого информационного контакта мозга с компьютером.
 
«Умные» крысы

Научные исследования в направлении итерфейса «мозг - машина» (ИМК) ведутся в мире уже более 15 лет. Эксперименты проводились на крысах и обезьянах, которым в головной мозг вживляли электроды. Американские нейробиологи Дж.Чапин и М.Николелис, проводя подобные опыты, стремились понять: возможно ли перехватывать команды мозга, формирующиеся при намерении животного совершить то или иное действие? Предполагалось, что такие команды можно будет направить на управление внешних устройств. Для этого крыс с вживленными в мозг электродами сначала обучали управлять рычажком, который подводил поилку с водой к голове животного. Электроды нужны были для того, чтобы определить паттерны электрической активности, которые возникали у крысы при намерении передвинуть рычажок. Как только такие паттерны определили, их соединили напрямую с управлением поилкой. Теперь крысе не нужно было управлять рычажком, ей оставалось только «подумать», и поилка сама поворачивалась к ее рту.

Вдохновленные удачными экспериментами с крысами, ученые перешли к обезьянам. Обезьяны с вживленными в мозг электродами еще лучше, чем крысы, освоили навык «мысленного» управления киберманипулятором. Получилось трехрукое животное: свои две руки плюс киберманипулятор! М.Николелис утверждает, что мозг обезьяны и человека может справиться с одновременным управлением естественными и искусственными конечностями.

Сначала «не туда»...

...Когда я слушала Александра Каплана, в голову приходили мысли, что всё это если не мистика, то фантастика. Но лекцию-то читал не маг и чародей, а профессор МГУ! Основываясь на многочисленных научных фактах, профессор утверждал, что произвольное управление электроэнцефалограммой возможно для каждого человека, даже для детей. Экспериментальные исследования такого рода проводятся уже не только за рубежом, но и у нас, в России, в его лаборатории на биофаке. На базе собственных исследований ученые МГУ разработали действующие макеты ИМК, которые позволяют человеку мысленно управлять, например, игрушечной машинкой с моторчиком. Так же одним мысленным усилием испытуемые в лаборатории профессора Каплана печатали на экране буквы, собирали картинки из элементов мозаики. И все без участия рук! Это, кстати, было показано с участием десятков желающих на фестивале науки в Москве осенью 2009 г. и демонстрируется с огромным успехом в российском павильоне в Шанхае на Всемирной выставке ЭКСПО-2010.

Представьте: человек надевает на голову шапочку с электродами, там же закреплена небольшая коробочка - усилитель биопотенциалов с процессором - и мысленно управляет машинкой. Она поначалу движется то вкривь, то вкось, но постепенно дело налаживается, и машинка начинает в точности выполнять мозговые команды «направо», «налево», «вперед»...

Мозг как бы запоминает, каким паттернам электрической активности соответствуют повороты направо и налево. Затем уже по желанию испытуемого начинает воспроизводить такие паттерны.

Всё это, отмечает А.Каплан, напоминает катание на велосипеде: когда только учишься, то сначала колеса ведут «не туда», даже падать случается, но методом проб и ошибок человек постепенно овладевает навыком управления двухколесной машиной.

Наиболее трудный этап в создании технологии «мозг - компьютер» (что исследователи буквально штурмуют в настоящее время) заключается в следующем: сделать произвольное управление ЭЭГ автоматизированным, то есть без какого-либо предварительного обдумывания.

- Если я протягиваю руку к стакану с водой, - говорит ученый, -то ведь не размышляю о том, как именно я должен передать свое намерение мышцам руки. Научившись кататься на велосипеде, я потом делаю это автоматически. А нельзя ли научиться также автоматически, можно сказать неосознанно, управлять ритмами собственного мозга? В элегантном исследовании (соединение ритмов ЭЭГ с блоком цветопередачи компьютерного монитора) профессору удалось показать, как, сам того «не осознавая», мозг человека автоматически стабилизирует на экране определенную гамму, манипулируя только собственными ритмами!

А.Каплан вообще считает, что наш мозг обладает безграничными возможностями. Он удивительно пластичен и способен обучиться виртуозному владению новыми каналами коммуникации с внешней средой, минуя нервы и мышцы.

И хотя исследования в области ИМК ведутся активно во всем мире, об их широком внедрении в жизнь говорить в настоящее время не приходится. Но нет сомнений в том, что пройдут годы, и всё сказанное сегодня будет казаться обычным делом, потому что интерфейс мозг - компьютер многократно расширяет возможности человека во многих сферах его деятельности.

Путь к реабилитации и выздоровлению

Одна из важнейших областей использования современной технологии - конечно же, медицина. Речь идет прежде всего о больных с полностью утраченной двигательной функцией. Они нуждаются в устройствах ИМК гораздо больше, чем кто-либо еще. Для этих пациентов оказалось гораздо эффективнее не накладывать электроды на череп, а вживлять их в конкретные структуры мозга. Уже 10 лет за рубежом осваивают технологию ИМК на основе вживленных электродов. Этими электродами можно очень точно подойти к отдельным нервным клеткам и тем самым получить наиболее чистый, не замаскированный многоголосием сотен тысяч клеток, как в классической ЭЭГ, сигнал.

Конечно, человек, перенесший тяжелые травмы позвоночника, вряд ли обретет способность полноценного владения конечностями. Но специалисты задаются другой целью: дать возможность людям, парализованным в результате неврологических расстройств или травм, управлять инвалидными колясками или манипулировать механическими конечностями, то есть через внутри-мозговые электроды и технологию ИМК установить прямую связь между намерением человека к движению и включением соответствующих приводов инвалидной коляски.

По словам А.Каплана, вживленные электроды хотя и трудная технология, требующая нейрохирургического вмешательства, но только благодаря ей можно подвести электроды к конкретным моторным областям коры больших полушарий. Иначе говоря, для пациента, полностью лишенного контакта с внешней средой, все-таки лучше пойти на трепанацию и вживление имплантата с электродами для получения надежного результата, например, по управлению курсором компьютера или инвалидной коляской, чем использовать гораздо менее эффективные для ИМК поверхностные электроды. Но пока техника имплантирования чипов в различные моторные зоны головного мозга обездвиженным больным развивается в лабораториях, и до массового практического применения далеко.

- Еще одна область использования ИМК - это биоэлектрическое управление протезами конечностей, - рассказывает ученый. - Отечественные разработки в этом направлении были одними из первых в мире. Однако из-за недостаточной производительности вычислительной техники в то время проблема не решилась. В настоящее время у нас ведутся переговоры о запуске проекта «мысленного» управления биомеханическими протезами на основе ИМК-технологий. Предполагается, что приводы, например кисти, могут быть соединены с ЭЭГ через ИМК особого типа, способного к обучению и «подстраиванию» - как к особенностям индивидуальной ЭЭГ, так и к характеру необходимых движений.

Еще одна очень перспективная в медицине область применения ИМК - сфера восстановительных и реабилитационных процедур при мозговых расстройствах. Речь идет о типовой ситуации, когда в результате травмы, инсульта или нейрохирургических вмешательств определенные корковые области мозга требуют восстановления. Тренировка - наиболее естественный путь в реабилитации. Однако как тренировать поврежденные области мозга, если пациент их не чувствует, а сама функция, например движение руки, глубоко нарушена? Тем не менее выход есть: надо получить биоэлектрический сигнал или ЭЭГ именно от этой проблемной области мозга и замкнуть его в контур ИМК, и пациент тем самым получает обратную связь, воочию наблюдая, насколько хорошо он овладевает управлением.

Определенные надежды специалисты возлагают на применение ИМК у больных, страдающих хроническими формами эпилепсии, поскольку судорожные припадки могут привести к тяжелому поражению мозга. Технология ИМК и здесь готова прийти на помощь медикам и пациентам.

...В тот вечер зал Дома ученых был переполнен. Он объединил людей самых разных специальностей. Среди тех, кто пришел послушать лекцию профессора Каплана, были врачи, инженеры, психологи, компьютерщики, педагоги... Всем было интересно узнать о новейших достижениях в области применения электроэнцефалографии в совершенно неожиданном ракурсе - прямой коммуникации между мозгом и компьютером.

Ученые уже понимают, какую неоценимую помощь может оказать людям теснейшее содружество человека и машины, но пока еще было бы слишком опрометчивым обнадеживать пациентов с двигательными расстройствами быстрым внедрением ИМК-технологий. На этом пути - множество проблем, как научных, так и административно-организационных. Возможно, пройдет еще 5 или 10 лет, прежде чем интерфейсы «мозг - компьютер» станут верным способом для помощи инвалидам, окажутся союзниками тренажеров реабилитации и восстановления нарушенных мозговых функций. Наконец, проявят себя в качестве сторожа кризисных состояний мозга, типа эпилептических припадков, нарушения кровообращения или банальных засыпаний водителя за рулем. Научные изыскания свидетельствуют о том, что всё это возможно. Но вот насколько реализуемо, покажут только серьезные клинические испытания.

Татьяна КУЗИВ, корр. «МГ».
Москва.