Нейроинтерфейсы, или интерфейсы «мозг – компьютер», – активно развивающаяся технология на стыке техники, биологии и медицины. О том, как сегодня эту технологию применяют в клинической практике, а также об уникальной российской разработке в этой сфере мы поговорили с Денисом Ребриковым, проректором по научной работе РНИМУ им. Н.И. Пирогова («второго меда»).
Н Нейроинтерфейсы: как это работает?
Суть технологии нейроинтерфейсов состоит в том, что компьютер тем или иным способом получает сигналы от мозга и на основе анализа этих сигналов выдаёт свой «ответный» сигнал. Чаще всего применяют так называемые «неинвазивные интерфейсы» на основе электроэнцефалографа, регистрирующего электрическую активность мозга (примерно так же, как это происходит при записи электроэнцефалограммы – ЭЭГ), однако существуют примеры, когда пациенту вживляют электроды непосредственно в мозг («инвазивный интерфейс»). Электроэнцефалограф передает сигналы на компьютер для последующей обработки. Можно обобщить, сказав, что нейроинтерфейс позволяет превратить мысль в команду для компьютера, причем мысль может никак не проявляться в действиях человека. В первом приближении звучит довольно фантастично, но надо отметить, что разрешающая способность этой технологии пока довольно мала: компьютер может понимать только отдельные очень простые и конкретные мысли-команды. Например, такого рода неинвазивные нейроинтерфейсы пытаются применять производители видеоигр, ведь «прямое» управление игровым процессом без клавиатуры и джойстика открывает новые возможности.
Но куда больше впечатляют результаты, достигнутые благодаря нейроинтерфейсам в медицине. Технология управления компьютером «силой мысли» помогает полностью парализованным пациентам общаться с окружающими. Известны попытки приспособить технологию для управления самоходными инвалидными колясками, однако они пока не увенчались успехом. Нейроинтерфейс нормально работает и понимает сигналы мозга, пока обстановка спокойная, но как только пациент начинает немного волноваться (для этого ему достаточно, например, увидеть по ходу движения лестницу), команды тонут в посторонней мозговой активности, а компьютер перестает их понимать. Гораздо больших успехов добились ученые, попробовавшие использовать нейроинтерфейсы в реабилитации пациентов с нарушениями двигательной активности, причина которых – в сбоях работы мозга, а не мышц. В первую очередь это относится к пациентам, перенесшим инсульт или страдающим детским церебральным параличом (ДЦП).
П Помощь при инсульте и ДЦП
В результате инсульта отмирает часть нервной ткани мозга. Если эта часть отвечала, например, за движение руки, человек теряет способность управлять конечностью, несмотря на то что сама рука никак не пострадала. Задача врачей в таком случае – заставить мозг перестроиться, чтобы функцию контроля движений руки взял на себя другой, сохранный участок. Это возможно благодаря эффекту «пластичности» коры головного мозга (проще говоря – нашей способности переучиваться). Однако чтобы научить сохранную область мозга новой функции, необходимо осуществление самого действия (например, движения кисти руки) – а это-то мозг и не может делать вследствие нарушения! Получается замкнутый круг: отсутствие возможности осуществлять действие ведёт к невозможности переучить мозг. Тут на помощь приходит сочетание нейроинтерфейса и экзоскелета. Нейроинтерфейс считывает некий сигнал и передаёт его на экзоскелет, который и осуществляет действие за пациента. Сигнал (мысль) может быть по сути любым, главное, чтобы он был максимально однообразным, однотипным. Тогда мозг постепенно закрепит такую мысль как сигнал на данное движение.
Ситуация в случае с детским церебральным параличом (ДЦП) чем-то похожа на картину, наблюдаемую при инсультах. Конечности сами по себе также функциональны, но кора мозга «неправильно настроена» и не может корректно управлять движениями. Задача врачей в таком случае – попытаться «перенастроить» мозг, вернув ему способность контролировать мышцы, и тут снова оказываются полезны интерфейсы «мозг – компьютер» с подключением экзоскелета.
Разработанный во «втором меде» метод реабилитации постинсультных пациентов и детей с ДЦП на основе неинвазивного нейроинтерфейса в сочетании с экзоскелетом значительно ускоряет реабилитацию, а в некоторых случаях даёт положительный эффект даже после многих лет безрезультатной «классической» терапии. Пациента сажают в специальное кресло, на голову надевают «шапочку» – регистратор ЭЭГ, а руку вкладывают в роботизированный экзоскелет. Пациент должен пытаться представлять движение, а компьютер, распознавая некий сигнал на ЭЭГ, разгибает спастичную кисть пациента. На самом деле мысль может быть любой, главное её сила и постоянство от попытки к попытке, тогда после нескольких итераций она начинает ассоциироваться у пациента с разгибанием руки. Фактически, возникает новый рефлекс. Когда пациент пройдет полный курс, в среднем 10-20 сеансов, новый нервный путь закрепится. Пациент получит возможность сгибать и разгибать кисть по своей воле. Пластичность мозга позволяет привязать новое действие – движение кистью руки – к другим структурам мозга. Получается, что роль компьютера сводится к тому, чтобы «настроить» мозг на конкретное действие и помочь коре сформировать нужные связи.
Пациент с ДЦП в установке «Экзокисть-2» на сеансе реабилитации. Видны ЭЭГ-«шапочка» и экзоскелеты, разгибающие кисти рук
Экзоскелет кисти руки крупным планом
Логичным развитием описанной выше терапии могло бы стать использование аналогичного принципа для экзоскелета, действующего не только на кисть, но и на другие суставы, однако пока ЭЭГ не может предоставить достаточно информации компьютеру для «понимания» сложных пространственных движений, включающих сразу несколько суставов. Решением этой проблемы может стать применение реабилитации «посуставно», по очереди. Проходя курс за курсом для разных суставов, пациент постепенно сможет научиться управлять всей конечностью.
У Уникальная разработка – технология «Экзопласт»
Устройства, созданные исследователями и врачами из РНИМУ им. Н.И. Пирогова, уже начали появляться в медицинских учреждениях. На сегодня комплексами для реабилитации постинсультных пациентов оборудованы четыре организации, а установками для помощи детям с ДЦП – три: Клинический медицинский многопрофильный центр Святителя Луки (Симферополь), Российская детская клиническая больница (Москва) и Комплексный реабилитационно-образовательный центр №44 (Москва, Переделкино). Уже есть конкретные результаты, и они впечатляют. После нескольких сеансов занятий дети научаются лучше управлять рукой, у них появляется возможность рисовать и даже писать. В указанных учреждениях процедуры для пациентов бесплатны.
Рисунок пациента (6 лет) с ДЦП до (слева) и после (справа) курса терапии
Разработанная во «втором меде» технология «Экзопласт» не имеет аналогов в мире. Известны разработки без «мозгового привода» (экзоскелеты, работающие по программе), а также нейроинтерфейсы без экзоскелета (с представлением виртуальной конечности на экране в 3D), однако комплексных решений нейроинтерфейс-экзоскелет, внедрённых в практическую медицину, не существует. В технологии «Экзопласт» за счёт создания положительной обратной связи мозг-конечность через экзоскелет эффективность реабилитации принципиально превосходит зарубежные подходы. Разработкой уже заинтересовались за границей, в том числе в Израиле и США.
Свежие комментарии