Существует два класса нейроинтерфейсов. Первые записывают
активность мозга и пытаются ее интерпретировать считать мысли или
моторные команды человека, чтобы он мог управлять устройствами.
Интерфейсы второго класса направляют информацию, как правило
сенсорную, в мозг, и именно они будут активно развиваться в
ближайшие годы. Как с их помощью восстанавливаются тактильные
ощущения и можно ли создать протезы памяти?Сенсорные
нейроинтерфейсы и органы чувствПри работе с интерфейсами первого
класса стоит большая задача понять, как мозг кодирует информацию,
что конкретно делают нейроны, что означают их разряды и так далее,
и это более сложная задача, чем просто послать информацию в мозг.
Что касается интерфейсов второго класса, мы не очень хорошо
представляем, как лучше стимулировать мозг, чтобы он понимал
информацию, которая в него посылается. Тем не менее он нам может
прийти на помощь, потому что, благодаря своей пластичности,
способен обучиться тому, что от него требуется.Интерфейсы второго
класса создают искусственные ощущения, посылая информацию в мозг, и
здесь были достигнуты определенные успехи в частности, создан
кохлеарный имплантат. Если человек страдает глухотой, у него не
работает улитка мозга, поврежден слуховой нерв, но что-то от этого
нерва остается, то во внутреннее ухо имплантируют электроды,
которые вызывают звуковые ощущения, и человек, который до того не
слышал, обретает слух. Подобный сенсорный интерфейс получили в мире
сотни тысяч людей. Также ведется работа над интерфейсами для
восстановления зрения: можно стимулировать различные составляющие
зрительной системы от сетчатки до зрительного нерва и зрительную
кору и вызывать соответствующие ощущения. Здесь был достигнут не
такой большой успех, как со слуховым интерфейсом, однако эта
область будет продолжать развиваться.Я работал над интерфейсом,
который восстанавливает тактильные ощущения. Задача ставится
следующим образом: если человек пытается управлять протезом руки,
то эта рука взаимодействует с внешними предметами и ощущает их и
хорошо бы эту информацию подать обратно в мозг, чтобы человек,
управляющий нейропротезом руки, мог бы чувствовать ее положение в
пространстве, то есть обрел бы чувство проприоцепции. Для этого
нужно стимулировать соматосенсорную кору, в которой имеются разные
отделы, представляющие информацию, которая приходит от мышц,
суставов, кожи, и воссоздающие тактильные ощущения и проприоцепцию.
В наших экспериментах мы достигли определенных
успехов.Микростимуляция и интерфейс мозг машина мозгБыли также
эксперименты Ранульфо Ромо, который первый успешно применил для
обезьян микростимуляцию, чтобы вызвать у них тактильные ощущения.
Он просил обезьяну дотрагиваться пальцем до пластинки, которая
могла вибрировать, а потом она должна была сравнивать два паттерна
вибрации. Допустим, если пластина вибрирует сначала с низкой
частотой, а затем с высокой, то обезьяна отвечает определенным
образом, а если наоборот, то другим образом. Далее вместо вибрации
Ромо стимулировал соматосенсорную кору импульсами той же частоты,
что и вибрация. К его изумлению, обезьяна научилась сравнивать
естественную вибрацию руки с импульсами, которые посылались в
соматосенсорную кору. Ромо сделал вывод, что когда соматосенсорная
кора стимулируется импульсами, то обезьяна испытывает такие же
ощущения, как в случае с вибрацией, и даже может определять
частоту.Проблема была в том, что Ромо вставлял электроды в мозг
обезьяны каждый день по-новому. Он не мог оставить электрод в мозгу
обезьяны и не мог изучать, что произойдет, если обезьяна будет
пользоваться сенсорным протезом длительное время. Впервые это
сделали мы исследовали ночных обезьян и макак-резусов, в
соматосенсорную кору которых были имплантированы матрицы электродов
на большой промежуток времени. На ночных обезьянах мы проводили
простые эксперименты. Например, стимулировали электроды, и в
зависимости от того, получала ли обезьяна стимуляцию или нет, она
протягивала руку влево или вправо к коробочке, где могла быть
спрятана еда. Она успешно обучилась реагировать на микростимуляцию,
чтобы найти еду.Также мы разнообразили паттерны микростимуляции:
использовали такие паттерны, где подавались вспышки импульсов
короткие, с высокой вторичной частотой либо длинные, с более низкой
вторичной частотой, и обезьяна должна была это распознавать. Все
это напоминало эксперименты Ромо, только сам паттерн вибрации был
более сложный. Кроме того, мы использовали
пространственно-временные паттерны: по мозгу обезьяны направлялась
волна либо в одну сторону, либо в другую, и обезьяна успешно
научилась распознавать эти паттерны микростимуляции.Чем больше
обезьяна упражнялась в использовании этих стимулов, тем лучше у нее
получалось распознавать искусственные ощущения, которые мы
направляли в мозг. Было видно, что мозг действительно пластически
настраивается на информацию, которую мы в него посылаем, и
обучается ее распознавать. Это послужит нам в будущем, если
пациенты будут пользоваться такими протезами долгое время: чем
больше они пользуются, тем практичнее и удобнее становятся протезы,
а искусственно вызываемые ощущения становятся более натуральными.
Но это в перспективе, поскольку все эксперименты на человеке,
которые сейчас проходят, очень простые: стимулируют мозг,
спрашивают у человека, что он чувствует, и получают ответ: Я
чувствую, будто мурашки по коже побежали, и это не имеет ничего
общего с натуральными ощущениями. Мы надеемся, что если человек
будет пользоваться нейропротезом долгое время, то в конце концов
все проблемы, связанные с искусственной природой этих стимуляций,
отпадут и человек сможет действительно пользоваться нейропротезом,
чтобы ощупывать предметы внешнего мира.В экспериментах над
макаками-резусами мы сделали интерфейс, который назвали интерфейсом
мозг машина мозг: обезьяна могла направить виртуальную руку в
разные точки экрана компьютера с помощью сигналов мозга, а затем
ощупывать виртуальные объекты и получать искусственные тактильные
ощущения. Она довольно успешно обучилась: перед ней было три
визуально одинаковых объекта, она их ощупывала и находила такой,
который вибрировал определенным образом (вибрация была
ненатуральная мы стимулировали мозг импульсами той же частоты).
Также были проведены эксперименты, в которых обезьяна сканировала
виртуальным пальцем разные объекты, визуально неинтересные, такие
серые прямоугольники. В них была спрятана виртуальная решетка,
плотность которой обезьяна могла оценить с помощью виртуального
пальца, и тогда она понимала, чем один прямоугольник отличается от
другого.Будущее сенсорных нейроинтерфейсовЭксперименты показали,
что мы можем с помощью электродов, которые имплантируются в мозг
обезьяны, стимулировать сенсорные отделы и вызывать ощущения.
Пользователь нейропротеза будет доволен, поскольку для него эти
ощущения становятся практически такими же, как наши собственные
ощущения при взаимодействии с объектами внешнего мира. Новейшие
эксперименты наших коллег в этой области показывают, что можно
стимулировать практически любую область мозга, необязательно
сенсорные, например премоторную кору тогда обезьяна обучится
понимать даже те стимулы, что посылаются в эту область.Сейчас в
Центре биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики мы
проводим эксперименты, в которых испытуемым в данном случае
пациентам, страдающим эпилепсией, которым имплантируются
электрокортикографические сетки по медицинским показаниям, мы
стимулируем соматосенсорную кору с помощью сеточных электродов.
Испытуемые обретают способность ощущать благодаря искусственному
методу восстановления чувствительности.Можно представить
интерфейсы, которые с помощью такой стимуляции будут чинить
поврежденный мозг, то есть восстанавливать не только тактильные
ощущения, слух или зрение, но и коммуникацию между областями
допустим, областью А и областью Б, которая была повреждена,
например, в результате инсульта. Кроме того, сейчас на слуху
протезы памяти: электроды имплантируются в гиппокамп, и ученые
надеются, что таким образом можно восстанавливать память и даже
записывать память с помощью стимулирующих электродов. Посмотрим,
что нам покажет будущее, и я уверен, что оно превзойдет наши
ожидания от того, как мы можем посылать информацию в мозг.
