Вероятно, важнее всего то, что под руководством Уолпоу неутомимый Шальк получил первоклассное образование в той сфере, которую он вскоре сделает основной для себя — в сфере с туманным названием (поначалу он думал, что это как-то связано с трехмерной реконструкцией челюсти), сосредоточенной на развитии интерфейсов «мозг-компьютер», или нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ, как сокращенно называют их работающие в этой области).
* * *
В 1969 г. еще один молодой ученый, Эберхард Фец, намного опередил свое время, сумев проделать трюк, к которому многие нейрофизиологи отнеслись весьма скептически. Упорными тренировками Фец добился того, чтобы подопытная мартышка научилась передвигать стрелку измерительного прибора, используя лишь свои мозговые волны.
Фец, собственно говоря, не заявлял, что это телекинез, хотя вы могли бы так решить, судя по той ядовитой критике, которая на него полилась. Однако в то время мало кому из работающих в области нейрофизиологии могло бы прийти в голову попробовать проделать этот фокус — подключить мозг обезьяны к какому-то механическому устройству. К тому же путь Феца к этому нестандартному подходу оказался весьма необычным.
Эберхард Фец работал над диссертацией по физике в МТИ (он занимался статистической механикой), когда однажды ночью у него под действием мескалина или, может, ЛСД (он сам точно не помнит) случилось озарение. Ошеломленный калейдоскопически стремительными сдвигами внутреннего состояния, Фец вдруг понял, что его куда больше интересуют загадки сознания, чем «охота на магнитный момент частицы». Уже будучи постдоком в Вашингтонском университете и работая под руководством одного нейрофизиолога, Фец в совершенстве овладел теми методиками фиксации активности отдельных нейронов, которые незадолго до этого так успешно применяли Хьюбел с Визелем для измерения активности нейронов в зрительной коре подопытных кошек. Но Хьюбела и Визеля интересовало измерение сигналов, поступающих в зрительную область коры из внешнего мира. В лаборатории, где трудился Фец, ставили перед собой иную цель. Они подключали электроды к нейронам моторной области коры, отслеживая сигналы, исходящие из мозга.
Фец обладал творческими способностями и техническим мастерством, которые позволяли ему не только проводить измерения, но и заниматься более серьезными исследованиями. В частности, он усаживал подопытную мартышку в кабинку, откуда открывался вид на кран, по которому подавался яблочный соус, и на механическое устройство, которое двигало стрелку измерительного прибора всякий раз, когда оно улавливало, что определенный нейрон дал импульс. Затем Фец устроил так, чтобы этот самец обезьяны получал всё больше соуса с каждым новым случаем, когда ему удается «мысленным усилием» сдвинуть стрелку.
«Когда он сообразил что к чему, он довольно скоро — и притом намеренно — увеличил скорость, с которой этот нейрон дает импульсы, — вспоминает Фец. — Это стало первой демонстрацией того, что обезьяна может контролировать положение стрелки измерительного прибора исключительно с помощью работы своих нейронов».
«Это был по-настоящему героический эксперимент, — замечает Шальк несколько десятилетий спустя, восхищенно покачивая головой. — Для семьдесят первого года это была очень трудная задача с технической точки зрения: создать прибор, который может записывать сигналы с достаточно высоким разрешением и в режиме реального времени обрабатывать их, да еще и обеспечивать обратную связь, тоже в реальном времени».
Задача оказалась достаточно трудной, поэтому об успехах Феца в конце концов подробно написал престижный журнал Science. Позже он стал считаться образцом для последующих поколений пионеров НКИ (таких как Шальк) и одним из отцов-основателей этой области исследований. Но потребовалось около двух десятилетий, чтобы к его выдающимся достижениям подтянулись другие сферы нейрофизиологии.
По оценкам Шалька, лишь в начале 80-х годов нейрофизиологи сумели найти место для нового важнейшего кусочка научного пазла и вывести НКИ на новый этап. Это произошло, когда Апостолос Георгопулос, молодой исследователь из Университета Джонса Хопкинса, измерил активность нейронов в зонах двигательной коры, отвечающих за высокоуровневую обработку данных, и показал нечто весьма примечательное: определенные нейроны двигательной коры оказались особенно чувствительными к определенным направлениям физического движения, а значит, по характеру активности этих нейронов можно было бы попытаться предсказать, куда намерена сдвинуться вся конечность [конечно, речь идет о намерении ее хозяина, а не самой конечности]. Нейроны, выявленные Хьюбелом и Визелем за несколько десятилетий до этого, реагировали на лучи света, падающие под определенным углом, а Георгопулос обнаружил нейроны, откликавшиеся на определенные разновидности движений, — скажем, на быстрый поворот запястья вправо или на быстрый тычок рукой вниз. Открытие Георгопулоса важно не только потому, что он показал: можно улавливать эти сигналы за миллисекунды до того, как совершится реальное движение, и прогнозировать эти движения, но и потому, что некоторые из этих паттернов активизации нейронов, как выяснилось, управляют поведением целых армий нейронов более низкого уровня, тех нейронов, которые благодаря своей совместной работе движут конкретными мышцами, над которыми они обладают совместным контролем.
Если эти сигналы высокого уровня (своего рода вспышки маяков, показывающие кораблю, куда пристать) проанализировать наряду с сигналами достаточного количества других нейронов, можно получить внушительное количество данных о том, как намерена двигаться конечность.
«Каждая клетка обладает предпочтениями по части направления, и сумма этих предпочтений определяет, в какую сторону двинется животное», — поясняет Георгопулос, который теперь работает в Миннесотском университете.
Георгопулос продемонстрировал, что с помощью 240 электродов он может точно предсказать, в каком направлении подопытная мартышка сдвинет джойстик. Несколько лет спустя он показал, что может проделать то же самое для трехмерных движений — с помощью 570 электродов. Позже ученый показал, что можно заранее определять не только направление, но и скорость движения, а также характер его изменения во времени.
В сочетании с несложными опытами Феца это открытие развернуло невиданные перспективы для тех, кто надеется помочь парализованным. Нейроны двигательной коры приказывают нашим мышцам шевелиться, передавая электрические импульсы вниз по своего рода междугородним телефонным проводам нашего тела: эти пучки нервов выходят из черепа, спускаются по позвоночнику и далее попадают в конечности, где они соединяются — и взаимодействуют — непосредственно с мышцами, заставляя их расширяться или сокращаться.
Когда эти нервные связи оказываются отсечены (скажем, после перелома позвоночника), результатом становится паралич. Когда двигательные нейроны, передающие сигналы от мозга к конечностям, отмирают (как при БАС), человек приходит в «изолированное» состояние. Но у многих парализованных нейроны в двигательных контрольных центрах мозга остаются неповрежденными и продолжают подавать электрические сигналы, которые направляются к месту рассечения или отмирания нервов: там эта энергия уходит в пустоту, подобно тому, как оборванный электрический провод конвульсивно искрит, свалившись на тротуар после бури.
