На последующих страницах мы обсудим некоторые из тех новых методов, которые уже используются (или пока только внедряются) в рамках нейробиологических исследований. Мы поговорим о технологических разработках, которые уже сейчас влияют на жизнь людей, страдающих неврологическими заболеваниями, включая нейрокомпьютерный интерфейс, разработку экзоскелета и новейшие направления в исследовании болезни Альцгеймера. Также в конце главы мы остановимся на исследованиях «второго мозга» и захватывающей технике гипноза.
Нейрокомпьютерный интерфейс
Благодаря ему Вселенная и галактики стали казаться нам более близкими, менее неприступными. И история его жизни, несомненно, заставила нас восхищаться им еще больше. Выдающийся физик Стивен Хокинг страдал боковым амиотрофическим склерозом (БАС), нейродегенеративным заболеванием, вызванным постепенным ухудшением в работе и последующей гибелью мотонейронов (нейронов, расположенных в центральной нервной системе и контролирующих мышечную активность). Это привело к развитию у него атрофии и прогрессирующего мышечного паралича, который все больше ограничивал подвижность. Однако в свои 76 лет он был способен общаться с миром с помощью компьютерной системы, которая считывала и интерпретировала небольшие движения на его щеке. Каждое движение перемещало курсор на экране, который он использовал для выбора первой буквы слова, и после того, как первая пара букв была подобрана, сверхсложная система прогнозирования текста предлагала ему наилучшие варианты слов на основе его предыдущих книг и лекций. Таким образом, до самых последних дней своей жизни он мог продолжать читать лекции и успешно писать научно-популярные книги. Использование технологий в сфере медицины и исследовательской деятельности приводит к ошеломляющим разработкам, которые способствуют улучшению качества жизни людей, в особенности тех, кто страдает приводящими к инвалидности заболеваниями. Сегодня все большее число исследователей по всему миру сосредоточивают свои усилия на разработке оборудования, которое позволило бы эффективно и в режиме реального времени декодировать язык нашего мозга. Речь идет в первую очередь о нейрокомпьютерном интерфейсе, соединяющим наш мозг с машиной.
Этот метод начал разрабатываться в 1969 году, когда Эберхард Фетц имплантировал электрод в прецентральную извилину (отвечающую за сознательные движения) мозга обезьяны для отслеживания электрической активности конкретного нейрона. Каждый раз, когда частота активности нейрона возрастала, ученый давал животному угощение. Пройдя этот этап обучения, обезьяна научилась получать больше пищи, активируя этот нейрон все быстрее и быстрее. Данный эксперимент продемонстрировал способность по желанию изменять активность отдельных нейронов и возможность контролировать работу нейрокомпьютерного интерфейса усилием воли.
Работа исследовательской группы во главе с нейробиологом Майклом Мерзеничем, в настоящее время почетным профессором Калифорнийского университета, стала толчком к применению концепции нейрокомпьютерного интерфейса. Составленная и усовершенствованная в результате их работы карта мозга позволила им создать кохлеарный имплантат. Речь идет об устройстве, заменяющим собой орган слуха. Размещенный во внутреннем ухе (лабиринте), он преображает звуки в электрические импульсы, которые затем доставляются в слуховую кору, ответственную за их обработку. Имплантант состоит из звукового приемника, преобразователя, который переводит звук в электрические импульсы, и электрода, хирургически вживленного в слуховой нерв, идущий от уха в мозг. Изобретение этой группы исследователей помогло более 300 000 детей по всему свету с врожденной глухотой услышать мир.
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.
