Брейншторм. Что могут предложить человечеству нейротехнологии прямо сейчас
С помощью нейроинтерфейсов — специальных чипов, которые взаимодействуют с головным мозгом, — полностью парализованные люди сегодня могут играть в компьютерные игры, делать покупки в интернете или общаться в мессенджерах. Хоть сама технология насчитывает уже не одно десятилетие, в последние годы разработкой таких устройств стали заниматься все больше. Пожалуй, самых впечатляющих успехов недавно добился стартап Neurolink американского миллиардера Илона Маска. «Вот Так» рассказывает, зачем нужны нейроинтерфейсы, как их используют уже сегодня и где могут внедрить в будущем.
Что такое нейроинтерфейсы и как они работают
Нейроинтерфейсы — это технология, которая позволяет связывать мозг с внешним электронным устройством, например компьютером, протезом или экзоскелетом. Таким образом ими можно управлять буквально силой мысли. По сути, нейроинтерфейсы считывают электрические импульсы мозга, декодируют их в понятный для внешнего устройства сигналы, которые помогают пользоваться его функциями.
Исследование нейроинтерфейсов началось еще в 70-х годах прошлого века, но активно развиваться технология стала с 1998 года, когда американский невролог Филипп Кеннеди впервые вживил электроды в мозг человека. Его пациент был парализован, но благодаря нейроинтерфейсу обучился передвигать курсор на компьютере и печатать на виртуальной клавиатуре
Современные нейроинтерфейсы делятся на три типа:
- неинвазивные — располагаются на поверхности головы, например как электроды для снятия энцефалограммы;
- малоинвазивные — помещаются на поверхности мозга. Например, электрод можно аккуратно провести через кровеносный сосуд, пока он не достигнет нужного участка мозга;
- инвазивные — вживляются путем хирургической операции напрямую внутрь мозга, из-за чего эффективнее остальных считывают его сигналы.
Сейчас эта технология используется в первую очередь для того, чтобы помочь людям с инвалидностью вернуть слух, зрение, речь, конечности и возможность двигаться.
Шахматы и пианино силой мысли
Одной из главных компаний на рынке нейроинтерфейсов считается стартап Илона Маска Neurolink. В 2023 году он получил разрешение от американских властей на вживление нейрочипов людям, а уже в марте 2024 года показал видео с парализованным пациентом, который с помощью инвазивного нейроинтерфейса играет на компьютере в шахматы.
29-летнего Нолана Арбо парализовало ниже плеч в результате несчастного случая — он неудачно нырнул в воду восемь лет назад. 30 января 2024 года ему вживили чип, чуть меньше чем за месяц Нолан научился управлять курсором компьютера, а за два месяца — полноценно играть в шахматы. Мужчина также рассказал, что с помощью чипа смог «восемь часов подряд» играть в компьютерную игру Civilization VI.
По его словам, установка чипа прошла очень легко. «Меня буквально через день выписали из больницы. У меня нет никаких когнитивных нарушений», — рассказал Арбо.
Впрочем, Neurolink — не первые, кому удалось достичь впечатляющих результатов в сфере нейроинтерфейсов. Еще в 2018 году американские ученые разработали нейроинтерфейс, который помог парализованным людям управлять планшетом. Он передавал сигнал от вживленных в моторную кору электродов к устройству через Bluetooth. Благодаря этому участники эксперимента могли делать покупки, общаться в мессенджерах, пользоваться калькулятором и даже играть на эмуляторе пианино.
Работа с конечностями и телом
Нейроинтерфейсы также активно используются не только для управления привычной техникой силой мысли, но и для управления протезами и их аналогами. Например, в 2022 году американский университет Джона Хопкинса рассказал, что исследователи научили парализованного пациента управлять роборуками.
С помощью считывания активности моторной коры через инвазивный нейроинтерфейс мужчина смог поднести руки с вложенными в них приборами к тарелке с пирожным, разрезать его и поднести отрезанный кусок ко рту.
Ученые также стараются вернуть пользователям роборук и протезов не только возможность двигать механическими конечностями, но и тактильность. В 2016 году американские исследователи разработали нейроинтерфейс, который позволил парализованному американцу Нейтану Копленду осязать предметы с помощью протеза. Фактически исследователи смогли сформировать новые нейронные связи в мозгу человека, которые преобразовали сигнал датчиков протеза в тактильные ощущения.
Нейроинтерфейсы могут помогать управлять и собственными конечностями. В 2017 году в Австралии ученым удалось улучшить двигательные функции руки пациента, перенесшего инсульт, на 36% за девять недель тренировок.
В Японии пошли еще дальше. В 2018 году там провели исследование, которое доказало, что с малоинвазивным нейроинтерфейсом человеческий мозг может управлять тремя руками одновременно. Одна из них, конечно, роботизированная. Согласно результатам эксперимента, добровольцам удалось выполнять разные задачи собственными руками и одной дополнительной — балансировать шар на доске и хватать предмет одновременно.
Люди с параличом или отсутствующими конечностями могут вернуть себе возможность передвигаться. В 2022 году группа ученых из Великобритании, Германии, Италии, США и Швейцарии провела исследование, в результате которого три человека с травмой спинного мозга за несколько месяцев научились управлять своими инвалидными колясками и перемещаться на них в больничном помещении. Для этого им даже не пришлось вживлять нейроинтерфейс в мозг — ученые использовали неинвазивный тип технологии.
Сигналы с нейроинтерфейса передавались на компьютер, закрепленный на спинке инвалидной коляски, а он, в свою очередь, преобразовывал их в движение колес. Если человек думал о том, что двигает двумя ногами, то он поворачивал налево, а если двумя руками — направо. Точность владения интерфейсом у участников колебалось от 68 до 95%.
Зрение, слух и речь
Современные нейроинтерфейсы также позволяют говорить людям, которые утратили способность общаться вербально или не имели такой возможности. В августе 2023 года ученые из США разработали инвазивные интерфейсы, которые смогли превращать сигналы мозга парализованных пациентов в текст с достаточно большой скоростью. Одна женщина смогла преобразовать свои мысли в печатный текст со скоростью 62 слова в минуту, а вторая — со скоростью 78 слов минуту. Специальная программа смогла также перевести текст в устную речь благодаря цифровому аватару.
Последние семь лет в американском Университете Райса идет активная разработка инвазивного чипа, позволяющего соединяться с внешним устройством — например с очками с множеством внешних камер — и передавать картинку, которое оно фиксирует, напрямую в мозг.
Уже существуют бионические глаза, которые позволяют частично вернуть зрение, стимулируя глазной нерв и передавая ему световые сигналы. Люди с такими девайсами могут видеть, но пока не очень хорошо: картинка бывает размытой, человек может различать цвета и очертания, но общее изображение далеко от идеала. Чип, вживленный напрямую в мозг, теоретически, как считают его разработчики, может решить эту проблему.
Ученые также надеются использовать его и для возвращения людям слуха. Принцип работы такой же, как и со зрением. Человеку понадобится внешний уловитель звуковых сигналов, которые чип передаст прямо в мозг.
Перспективы нейроинтерфейсов
До сих пор на рынке нейроинтерфейсов популярностью пользуются неинвазивные — хотя бы потому, что они устанавливаются без хирургического вмешательства и их гораздо проще обслуживать. Так, в 2021 году доля неинвазивных интерфейсов составила более 86% от всего рынка. Однако они не могут похвастаться таким уровнем чувствительности, как устройства, которые вживляются непосредственно в мозг.
В последние годы из-за развития технологий растет интерес именно к инвазивным нейроинтерфейсам. Например, в австралийский стартап Synchron, который одним из первых получил официальное разрешение на работу с людьми и вживление чипов, уже инвестировали свои средства миллиардеры Джефф Безос и Билл Гейтс. На сегодня чипы Synchron, для имплантации которых не требуется вскрывать череп, внедрены уже более чем десяти полностью парализованным людям.
Исполнительный директор компании QLU Максим Острась в колонке для Forbes отмечает, что самые высокие темпы роста в ближайшее время будут наблюдаться в инвазивном сегменте, поскольку эта технология, в частности, позволяет людям с ампутированными конечностями получить роботизированные руки или ноги, которые управляются напрямую мозгом. Кроме того, инвазивные нейроинтерфейсы могут помочь людям с деменцией: согласно прогнозам Всемирной организации здравоохранения, к 2030 году таких пациентов будет около 82 миллионов.
Директор центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ Алексей Осадчий, в свою очередь, полагает, что с развитием нейроинтерфейсов наступит эра «электрофизиологической Big Data». По мнению Осадчего, нейроинтерфейсы смогут предоставить по-настоящему большие объемы сигналов активности мозга, с помощью которых в перспективе 5–10 лет можно будет диагностировать целый ряд неврологических расстройств по простой электроэнцефалограмме.
При этом одна из главных проблем с инвазивными нейроинтерфейсами до сих пор не решена: дело в том, что живая ткань мозга после операции химически воздействует на чип и постепенно изменяет его свойства. Поэтому человеку с вживленным чипом для поддержания функциональности нейроинтерфейса каждые пять-шесть лет нужна повторная хирургическая операция. Пока ученые не могут предложить альтернативы — даже изготовленные из химически инертного золота контакты все равно приходится менять на новые.