Еще одна инновационная разработка – применение нейронных имплантантов, технологических устройств, устанавливаемых непосредственно на поверхности мозга хирургическим путем и действующих как биомедицинские протезы. Эта новая технология позволяет людям с различной степенью неподвижности, таким как Хокинг, управлять роботизированными руками, курсором настольного компьютера или собственной инвалидной коляской, используя только силу своих мыслей. Для успешного выполнения этих задач крайне важно, чтобы нейронные имплантанты приживались на ткани мозга пациента без осложнений в виде образования рубцов, были правильно откалиброваны для обработки сигналов, а также индивидуально настроены под нужды конкретного человека.
Ученые из Университета Питтсбурга в настоящее время проводят исследование, целью которого является определение того, как именно мозг переводит мысль в действие. Одна из участниц данного исследования страдает генетическим заболеванием, называемым спиноцеребеллярной дегенерацией, а также тетраплегией (параличом нижних и верхних конечностей). Хирургическим путем ей имплантировали две сетки электродов в моторную кору – зону, ответственную за выполнение произвольных движений. Данные электроды позволяли регистрировать и преобразовывать сигналы мозга, чтобы затем их можно было передавать на компьютер. С помощью сложных компьютерных алгоритмов были декодированы и идентифицированы паттерны мозга, связанные с движениями рук и кистей. Поэтому, когда пациентка думала о том, чтобы пошевелить рукой, электроды обнаруживали колебания мозга и вычислительное программное обеспечение начинало интерпретировать и переводить их в команды движения, осуществляемые роботизированной рукой. Таким образом, благодаря столь сложному устройству женщина могла двигать рукой, используя только силу своей мысли, и даже выполнять простые моторные движения пальцами рук, например, пожимать чью-нибудь руку.
Как мы можем себе представить, жизнь тех, кому удается общаться или двигаться благодаря этим новым устройствам, резко меняется. Это относится, в частности, к 58-летней женщине по имени Кэти Хатчинсон, которая больше 15 лет не способна была двигать руками и ногами. По причине развившегося у нее паралича она также не могла разговаривать. В 2012 году команде ученых из Университета Брауна удалось добиться того, что женщина начала двигать роботизированной рукой и даже выполнять ею простые задачи, такие как перемещение и захват предмета. Устройство под названием BrainGate2 является наглядным примером нейрокомпьютерного интерфейса в действии: датчик в мозге записывает мысли человека о движении рукой, в то время как другое устройство декодирует эти сигналы, исходящие из мозга, и передает их роботизированной руке. Технология позволила женщине дотянуться до чашки кофе на столе, приблизить ее ко рту и выпить из нее при помощи соломинки. Другим примером является Натан Коупленд, оставшийся парализованным после автомобильной аварии и ставший первым человеком, который благодаря достижениям в разработках нейрокомпьютерного интерфейса смог в полную силу использовать роботизированную руку, созданную Агентством перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA) и Национальным научным фондом. Благодаря различию в технологиях, использовавшихся на других пациентах, Натан не только смог управлять роботизированной рукой при помощи силы своего мышления, но и стал первым, кто получил через нее обратную сенсорную связь при рукопожатии. Данная технология известна как «двусторонний нейрокомпьютерный интерфейс», в возможности которого со временем будет входить не только сбор информации о мозговой активности, но и обеспечение обратной сенсорной связи за счет укрепления новых мозговых связей и анализа результатов уже имеющихся данных.
Как мы упоминали ранее, одной из удивительнейших особенностей нашего мозга является его нейропластичность, то есть способность изменять собственную структуру и функцию. Сегодня этому могут способствовать нейрокомпьютерные интерфейсы. Исходя из этого, Дженнифер Коллингер, сотрудница Медицинского центра Университета Питтсбурга, утверждает, что, если мы поймем, как нейрокомпьютерные интерфейсы изменяют нервную систему человека, это даст нам ценную информацию, которую врачи и ученые смогут использовать для лечения и реабилитации пациентов, например, с повреждениями спинного мозга. Глубокое понимание того, как мозг реагирует и трансформируется в ответ на нейропротез или другие технологии, может дать нам ключевую информацию, которая в один прекрасный день приведет нас к разработке терапии, способной восстанавливать аксоны и мотонейроны, чтобы они возвращали функциональную и естественную двигательную активность пациентов.
Нейрокомпьютерные интерфейсы начинают применяться не только в медицине, но и в других областях, таких как автотранспорт, развлечения и образование. К примеру, в Австралии был разработан автомобиль со специальными встроенными датчиками, которые в режиме реального времени контролируют уровень концентрации внимания и автоматически замедляют транспортное средство при обнаружении усталости или рассеянности у водителя. Другая разработка позволяет нам совершить полет на авиатренажере. Речь идет о разработке европейского проекта Brainflight, чьей целью является создание самолета, управляемого мыслью человека. В серии экспериментов под руководством Тима Фрике, аэрокосмического инженера Технического университета Мюнхена (Германия), семь человек (некоторые из которых не имели вообще никакого опыта пилотирования) сумели правильно поднять в воздух, а затем посадить самолет на симуляторе модели воздушного судна DA42, не коснувшись при этом ни одного рычага или педали. В рамках испытания они могли управлять самолетом только при помощи мысли. На них был надет специальный шлем с электродами для захвата нейронных сигналов, которые с помощью нейрокомпьютерного интерфейса преобразовывались в необходимые для пилотирования команды. Нейрокомпьютерные интерфейсы не читают мысли, а полагаются исключительно на обработку четко узнаваемых электрических сигналов для программы. Подобные проекты позволят в будущем упростить обучение пилотов за счет сокращения времени и финансовых затрат, повысят безопасность полетов, а также откроют новые возможности для карьеры людям с ограниченными физическими способностями.
Среди наиболее инвазивных методов в настоящее время считается глубокая стимуляция мозга, или DBS (от английского deep brain stimulation), применяющаяся для лечения некоторых симптомов, таких как тремор или скованность движений у людей с болезнью Паркинсона. Тем не менее данная методика показана лишь некоторым пациентам и не имеет тенденции улучшать немоторные проявления заболевания. Техника включает в себя имплантацию электродов в определенные области мозга, отвечающие за проявление симптомов, с целью регулирования их активности посредством электрических импульсов.
Все это – передовые технологические разработки, которые, по-видимому, не имеют ограничений ни в своем потенциале, ни в дальнейшем развитии. Болезнь Стивена Хокинга, к сожалению, была прогрессирующей. Весьма вероятно, что с течением времени он также утратил бы подвижность мышц щеки, которые позволяли ему общаться через компьютер все последние годы. И, как всегда открытый для будущего, он тестировал бы на себе технологию, которая позволяла бы ему общаться исключительно посредством мышления. Исходя из этой цели, нейробиолог и исполнительный директор компании Neurovigil Филипп Лоу работал над внедрением своего устройства под названием iBrain. Стивен Хокинг умер 14 марта 2018 года в Кембридже, оставив после себя не только огромные знания, но и пример удивительной жизненной стойкости. Невероятная внутренняя сила, а также передовые технологические достижения позволили сохранить его наследие для всего мира.
Право первого удара за наукой
12 июня 2014 года в 17 часов на стадионе «Арена» в Сан-Паулу весь мир смог увидеть, как парализованный человек встал с инвалидного кресла и, сделав удар по мячу ногой, дал старт для церемонии открытия Чемпионата мира по футболу 2014 года в Бразилии. Это был знаменательный момент для науки, спорта и всего человечества.
Что в принципе это может означать для науки? Параплегия – это неврологическое состояние, при котором по разным причинам нижняя часть тела человека оказывается парализованной и лишенной функциональности. Международное сообщество ученых, возглавляемое Мигелем Николесисом, разработало роботизированный экзоскелет (внешнюю конструкцию, которую человек надевает, будто доспехи), который позволил парализованному человеку подняться и ударить по футбольному мячу. Как такое вообще возможно? Сообщения, передаваемые мозгом, такие как решение сделать шаг, пойти или остановиться, улавливаются компьютером, а затем переводятся, чтобы тело смогло выполнить необходимое движение. Чтобы управлять таким экзоскелетом, парализованный человек надевает специальный головной убор, снабженный электродами, которые улавливают его мозговые волны. Полученные сигналы передаются на компьютер, расположенный за спиной пациента в специальном рюкзаке, а затем декодируются, запуская в работу гидравлические проводники в самом костюме. Благодаря датчикам, размещенным на подошве обуви, экзоскелет также передает пациенту ощущение почвы под ногами. Сложный и видимый всем роботизированный костюм осуществляет довольно простую функцию: он выполняет работу, которую мышцы парализованных ног сделать самостоятельно не могут.
Этот экзоскелет является кульминацией многолетней работы международной команды ученых и инженеров над проектом под названием Walk Again, или «Начать ходить снова». Если работа над данной технологией будет продолжена, уже в недалеком будущем она сможет войти в нашу повседневность и облегчить жизнь парализованным людям, заменив собой в конечном итоге инвалидные кресла.
В действительности, право первого удара