Джеймс Джонсон (James Johnson) надеется однажды снова сесть за руль автомобиля. Если ему это удастся, он будет управлять автомобилем, используя только свои мысли.

В марте 2017 года Джонсон сломал шею в аварии на картинге, в результате чего его почти полностью парализовало ниже плеч. Он понял свою новую реальность лучше других. На протяжении десятилетий он ухаживал за людьми с параличом. "Была глубокая депрессия", – говорит он. "Я думал, что после случившегося ничего не смогу ни сделать, ни дать".

Но затем реабилитационная команда Джонсона познакомила его с исследователями из близлежащего Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене, которые предложили ему принять участие в клинических испытаниях компьютерно-мозгового интерфейса (brain-computer interface, BCI). Для этого сначала нужно было провести нейрохирургическую операцию по имплантации двух сетчатых электродов в кору головного мозга. Эти электроды будут регистрировать нейроны в его мозге, а исследователи – использовать алгоритмы для расшифровки его мыслей и намерений. Затем система будет использовать активность мозга Джонсона для работы компьютерных приложений или для управления протезом. В общей сложности это займет годы и потребует сотен интенсивных тренировок. "Я действительно не раздумывал", – говорит Джонсон.

В первый раз, когда он использовал свой BCI, имплантированный в ноябре 2018 года, Джонсон перемещал курсор по экрану компьютера. "Это было похоже на фильм "Матрица", – говорит он. "Мы подключились к компьютеру, и вот я смог перемещать курсор, просто подумав".

С тех пор Джонсон использовал BCI для управления роботизированной рукой, для работы с программой Photoshop, для игры в видеоигры типа "стрелялки", а теперь и для управления симулятором автомобиля в виртуальной среде, меняя скорость, поворачивая руль и реагируя на опасность. "Я всегда поражаюсь тому, что мы можем делать, – говорит он, – и это чертовски круто".

Джонсон – один из примерно 35 человек, которым в мозг на длительное время имплантировали BCI. Всего около десятка лабораторий проводят такие исследования, но их число растет. За последние пять лет спектр навыков, которые могут восстановить эти устройства, значительно расширился. Только в прошлом году ученые рассказали об участнике исследования, использующем роботизированную руку, которая может посылать сенсорную обратную связь непосредственно в мозг; о протезе речи для человека, лишенного возможности разговаривать в результате инсульта; и о человеке, способном общаться с рекордной скоростью, представляя свой почерк.

До сих пор подавляющее большинство имплантатов для длительной записи информации от отдельных нейронов производились одной компанией – Blackrock Neurotech, разработчиком медицинских устройств, базирующимся в Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Но за последние семь лет коммерческий интерес к BCI резко возрос. В частности, в 2016 году предприниматель Илон Маск (Elon Musk) основал компанию Neuralink в Сан-Франциско, Калифорния, с целью соединить человека и компьютер. Компания привлекла 363 миллиона долларов США. В прошлом году компания Blackrock Neurotech и несколько других новых компаний, занимающихся разработкой BCI, также получили крупную финансовую поддержку.

Вывод BCI на рынок, однако, потребует преобразования индивидуальной технологии, проверенной на небольшом количестве людей, в продукт, который можно производить, имплантировать и использовать в широких масштабах. Крупные испытания должны будут показать, что BCI могут работать в условиях, не связанных с исследованиями, и явно улучшать повседневную жизнь пользователей – по ценам, приемлемым для рынка. Сроки достижения всего этого неопределенны, но специалисты в этой области настроены оптимистично. "Тысячи лет мы искали способ исцелить людей, страдающих параличом, – говорит Мэтт Энгл (Matt Angle), глава компании Paradromics, занимающейся нейротехнологиями в Остине, штат Техас. –Сейчас мы находимся на пороге появления технологий, которые можно использовать для этих целей".

ЭВОЛЮЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА

В июне 2004 года исследователи вживили систему электродов в двигательную часть коры головного мозга человека, который был парализован в результате ножевого ранения. Он стал первым человеком, получившим долгосрочный имплант BCI. Как и у большинства людей, получивших BCI с тех пор, его познавательные способности не пострадали. Он мог представлять, как он двигается, но он полностью утратил нейронные каналы между двигательной частью коры головного мозга и мышцами. После десятилетий работы во многих лабораториях с обезьянами исследователи научились расшифровывать движения животных по записям активности в двигательной части коры головного мозга в режиме реального времени. Теперь они надеялись определить воображаемые движения человека по активности мозга в той же области.

В 2006 году в знаковом документе было описано, как человек научился перемещать курсор по экрану компьютера, пользоваться телевизором, роботизированными руками и кистями, просто думая. Исследование проводилось под руководством Ли Хохберга (Leigh Hochberg), нейробиолога и невролога, работающего в реанимации в Университете Брауна в Провиденсе, Род-Айленд, и в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне. Это было первое из многоцентровых испытаний под названием BrainGate, которые продолжаются и сегодня.

"Это была очень простая, примитивная демонстрация, – говорит Хохберг. – Движения были медленными или неточными – или и то, и другое. Но она показала, что можно записать данные из коры головного мозга человека, который не может двигаться, и позволить ему управлять внешним устройством".

Современные пользователи BCI имеют гораздо более тонкий контроль и доступ к более широкому спектру навыков. Отчасти это объясняется тем, что исследователи начали имплантировать несколько BCI в различные области мозга пользователя и придумали новые способы определения полезных сигналов. Но Хохберг говорит, что наибольший толчок к развитию дало машинное обучение, которое улучшило способность декодировать нейронную активность. Вместо того чтобы пытаться понять, что означают паттерны активности, машинное обучение просто определяет и связывает паттерны с намерениями пользователя.

"У нас есть нейронная информация; мы знаем, что пытается сделать человек, генерирующий нейронные данные; и мы просим алгоритмы создать связь между ними", – говорит Хохберг. – Это оказалось удивительно мощной техникой".

ДВИГАТЕЛЬНАЯ НЕЗАВИСИМОСТЬ

На вопрос, чего они хотят от вспомогательных нейротехнологий, люди с параличом чаще всего отвечают "независимости". Для людей, которые не могут двигать конечностями, это обычно означает восстановление движений.

Один из подходов заключается в имплантации электродов, которые непосредственно стимулируют мышцы собственных конечностей человека, а BCI напрямую управляет ими. "Если вы сможете улавливать сигналы коры головного мозга, связанные с управлением движениями рук, вы сможете, по сути, обойти травму спинного мозга и пройти напрямую от мозга к периферии", – говорит Болу Аджибойе (Bolu Ajiboye), нейробиолог из Западного резервного университета Кейза в Кливленде, штат Огайо.

В 2017 году Аджибойе и его коллеги описали участника, который использовал эту систему для выполнения сложных движений рукой, включая питье чашки кофе и кормление себя. "Когда он только начал исследование, – говорит Аджибойе, – ему приходилось очень сильно думать о том, чтобы его рука двигалась из точки А в точку Б. Но по мере обучения он мог просто думать о движении руки, и она двигалась". Участник также вновь обрел чувство владения рукой.

В настоящее время Аджибойе расширяет "репертуар" командных сигналов, которые может декодировать его система, например, сигналы для определения силы захвата. Он также хочет наделить пользователей BCI чувством осязания, и эта цель преследуется несколькими лабораториями.

В 2015 году группа под руководством нейробиолога Роберта Гаунта (Robert Gaunt) из Питтсбургского университета в Пенсильвании сообщила о вживлении электродной матрицы в область руки в соматосенсорной части коры головного мозга человека, где обрабатывается сенсорная информация. Когда они использовали электроды для стимуляции нейронов, человек ощущал что-то похожее на прикосновение.

Затем Гаунт объединил усилия с коллегой из Питтсбурга Дженнифер Коллинджер (Jennifer Collinger), нейробиологом, занимающимся вопросами управления роботизированными руками с помощью BCI. Вместе они создали роботизированную руку с датчиками давления, встроенными в кончики пальцев, которые поступали на электроды, вживленные в соматосенсорную кору головного мозга, чтобы вызвать синтетическое чувство прикосновения. Это было не совсем естественное ощущение – иногда оно напоминало давление или прощупывание, а иногда – зудение, объясняет Гаунт. Тем не менее, тактильная обратная связь сделала использование протеза гораздо более естественным, а время, необходимое для того, чтобы взять предмет, сократилось вдвое – с 20 до 10 секунд.

Имплантация матриц в области мозга, выполняющих различные функции, может добавить движениям больше нюансов и другими способами. Невролог Ричард Андерсен (Richard Andersen), возглавляющий исследование в Калтехе, в котором участвует Джонсон, пытается декодировать более абстрактные цели пользователей, подключаясь к задней теменной области коры головного мозга (posterior parietal cortex, PPC), которая формирует намерение или план движения. То есть, она может кодировать мысль "я хочу пить", в то время как двигательная часть коры направляет руку к кофе, а затем подносит кофе ко рту.

Группа Андерсена изучает, как этот двойной сигнал помогает работе BCI, сравнивая использование двух областей коры по отдельности или вместе. Неопубликованные результаты показывают, что намерения Джонсона быстрее декодируются в PPC, "что соответствует кодированию цели движения", – говорит Тайсон Афлало (Tyson Aflalo), старший научный сотрудник лаборатории Андерсена. Активность двигательной части коры головного мозга, напротив, сохраняется на протяжении всего движения, говорит он, "делая траекторию менее неустойчивой".

Этот новый тип нейронного сигнала помогает Джонсону и другим людям расширить свои возможности. Джонсон использует симулятор вождения, а другой участник может играть на виртуальном пианино с помощью своего BCI.

ДВИЖЕНИЕ К СМЫСЛУ

"Одним из самых разрушительных последствий травм мозга является потеря способности общаться", – говорит Эдвард Чанг (Edward Chang), нейрохирург и нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. В ранних работах по BCI участники могли перемещать курсор по экрану компьютера, представляя, что их рука движется, а затем воображая, что они нажимают на буквы – это давало возможность общения. Но совсем недавно Чанг и другие исследователи добились быстрого прогресса, ориентируясь на движения, которые люди естественным образом используют для самовыражения.

В 2017 году команда под руководством Кришны Шеноя (Krishna Shenoy), нейробиолога из Стэнфордского университета в Калифорнии, установила эталонный уровень коммуникации с помощью управления курсором – около 40 символов в минуту.

Затем, в прошлом году, эта группа сообщила о подходе, который позволил удвоить этот темп участнику исследования Деннису Дегрею (Dennis Degray), парализованному ниже шеи, но который может разговаривать.

Коллега Шеноя Фрэнк Уиллетт (Frank Willett) предложил Дегрею представить себе почерк, в то время как они записывали сигналы из его двигательной части коры головного мозга (см. "Превращение мыслей в шрифт", ‘Turning thoughts into type’). Иногда система с трудом разбирала сигналы, относящиеся к буквам, которые пишутся одинаково, например, r, n и h, но в целом она легко различала буквы. Точность алгоритмов декодирования составляла 95%, но при автокоррекции с использованием статистических языковых моделей, похожих на предиктивный текст в смартфонах, она возросла до 99%.

"Вы можете декодировать действительно быстрые, очень тонкие движения, – говорит Шеной, – и вы способны делать это со скоростью 90 символов в минуту".

Дегрей пользуется функциональным BCI в своем мозгу уже почти 6 лет и является ветераном 18 исследований группы Шеноя. Он говорит, что поразительно, насколько легкими становятся задачи. Он сравнивает этот процесс с обучением плаванию, говоря: "Сначала ты сильно барахтаешься, но неожиданно все становится понятным".

Подход Чанга к восстановлению коммуникации сосредоточен на устной речи, а не на письменной, хотя и использует схожий принцип. Как письмо состоит из отдельных букв, так и речь состоит из отдельных единиц, называемых фонемами, или отдельными звуками. В английском языке насчитывается около 50 фонем, и каждая из них создается стереотипным движением голосового канала, языка и губ.

Группа Чанга сначала работала над характеристикой части мозга, которая генерирует фонемы и, таким образом, речь, – недостаточно четко определенной области, называемой дорсальной гортанной корой. Затем исследователи применили эти знания для создания системы декодирования речи, которая отображала предполагаемую речь пользователя в виде текста на экране. В прошлом году они сообщили, что это устройство позволило человеку, лишенному способности говорить в результате инсульта стволовой части головного мозга, общаться, используя предварительно выбранный словарный запас из 50 слов со скоростью 15 слов в минуту. "Самое важное, что мы узнали, – говорит Чанг, – это то, что это больше не теория; декодирование полных слов действительно возможно".

В отличие от других громких открытий в области BCI, Чанг не записывал данные с отдельных нейронов. Вместо этого он использовал электроды, расположенные на поверхности коры головного мозга, которые регистрируют усредненную активность популяций нейронов. Сигналы не такие тонкие, как от электродов, вживленных в кору головного мозга, но этот подход менее инвазивный.

Наиболее глубокая потеря связи происходит у людей в полностью парализованном состоянии, которые остаются в сознании, но не могут говорить или двигаться. В марте команда, включающая нейробиолога Уджвала Чаудхари (Ujwal Chaudhary) и других ученых из Тюбингенского университета (Германия), сообщила о возобновлении общения с человеком, страдающим боковым амиотрофическим склерозом (БАС, или болезнью двигательных нейронов). Раньше мужчина общался с помощью движений глаз, но постепенно он потерял способность двигать глазами.

Группа исследователей получила согласие семьи мужчины на имплантацию BCI и попробовала попросить его представить движения, чтобы использовать мозговую активность для выбора букв на экране. Когда это не удалось, они попробовали воспроизвести звук, имитирующий мозговую активность мужчины – более высокий тон для большей активности, более низкий для меньшей – и научили его модулировать свою нейронную активность, повышая высоту тона для сигнала "да" и понижая его для сигнала "нет". Это позволило ему распознавать буквы каждую минуту или около того.

Этот метод отличается от того, который был использован в работе, опубликованной в 2017 году, в которой Чаудхари и другие использовали неинвазивную технику для считывания активности мозга. По поводу этой работы возникли вопросы, и статья была отклонена, но Чаудхари ее продолжает отстаивать.

По словам Эми Орсборн (Amy Orsborn), изучающей BCI у нечеловекообразных приматов в Университете Вашингтона в Сиэтле, эти тематические исследования говорят о том, что данная область быстро развивается. "Заметно увеличилось количество клинических исследований и прорывов, которые они совершают в клиническом пространстве, – говорит она. – Вместе с этим растет и промышленный интерес".

ОТ ЛАБОРАТОРИИ К РЫНКУ

Хотя такие достижения привлекли пристальное внимание СМИ и инвесторов, эта область еще далека от того, чтобы улучшить повседневную жизнь людей, потерявших способность двигаться или говорить. В настоящее время участники исследований работают с BCI в ходе коротких интенсивных сессий; почти все они должны быть физически подключены к банку компьютеров и находиться под наблюдением команды ученых, постоянно работающих над оттачиванием и повторной калибровкой декодеров и соответствующего программного обеспечения. "Что я хочу, – говорит Хохберг, выступая в роли невролога, оказывающего реанимационную помощь, – так это доступное устройство, которое можно выписать, которое можно "снять с полки" и быстро использовать". Кроме того, такие устройства в идеале должны служить пользователям всю жизнь.

Многие ведущие ученые в настоящее время сотрудничают с компаниями для разработки востребованных на рынке устройств. Чаудхари, напротив, стал соучредителем некоммерческой компании ALS Voice в Тюбингене для разработки нейротехнологий для людей, находящихся в полностью парализованном состоянии.

Существующие устройства компании Blackrock Neurotech были основой клинических исследований в течение 18 лет, и, по словам председателя совета директоров Флориана Зольцбахера (Florian Solzbacher), компания хочет выпустить на рынок систему BCI в течение года. Компания стала на шаг ближе к этому в ноябре прошлого года, когда Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), которое регулирует медицинские устройства, включило продукты компании в ускоренный процесс рассмотрения, чтобы облегчить их коммерческую разработку.

Этот возможный первый продукт будет использовать четыре имплантированных матрицы и соединяться через провода с миниатюрным устройством, которое, как надеется Зольцбахер, покажет, как можно улучшить жизнь людей. "Мы говорим не о 5%-, 10%- или 30%-ном повышении эффективности, – говорит он. – Люди смогут делать то, чего раньше не могли".

Blackrock Neurotech также разрабатывает полностью имплантируемый беспроводной BCI, который должен быть проще в использовании и устранить необходимость наличия отверстия в черепе пользователя. Компании Neuralink и Paradromics с самого начала стремились к тому, чтобы в разрабатываемых ими устройствах были эти функции.

Эти две компании также стремятся увеличить пропускную способность сигнала, что должно повысить производительность устройства, за счет увеличения количества записываемых нейронов. Интерфейс компании Paradromics, который в настоящее время тестируется на овцах, имеет 1 600 каналов, которые распределены между 4 модулями.

В системе Neuralink используются очень тонкие, гибкие электроды, называемые нитями, которые разработаны таким образом, чтобы одновременно изгибаться вместе с мозгом и снижать иммунные реакции, говорит Шеной, который является консультантом и советником компании. Цель состоит в том, чтобы сделать устройство более долговечным, а записи – более стабильными. Компания Neuralink не опубликовала ни одной рецензируемой работы, но в блоге от 2021 года сообщалось об успешной имплантации нитей в мозг обезьяны для записи в 1024 участках (см. go.nature.com/3jt71yq). Академики хотели бы, чтобы технология была опубликована для всестороннего изучения, а компания Neuralink пока опробовала свою систему только на животных. Но, по словам Аджибойе, "если то, что они утверждают, – правда, то это изменит ход игры".

Кроме Blackrock Neurotech, только одна компания имплантировала человеку долговременную систему BCI, и она может оказаться более продаваемой, чем другие матрицы. Компания Synchron из Нью-Йорка разработала "стентрод" – набор из 16 электродов, установленных вокруг стента кровеносного сосуда. Это устройство устанавливается за один день в амбулаторных условиях и проводится через яремную вену к вене, расположенной над двигательной частью коры головного мозга. Впервые имплантированная человеку с боковым амиотрофическим склерозом в августе 2019 года технология была включена в ускоренный режим рассмотрения FDA годом позже.

В отличие от электродов, которые использует Чанг, стентрод не имеет такого высокого разрешения, как другие импланты, поэтому не может использоваться для управления сложными протезами. Но он позволяет людям, которые не могут двигаться или говорить, управлять курсором на компьютерном планшете и таким образом писать тексты, выходить в Интернет и управлять подключенными технологиями.

Соучредитель Synchron, невролог Томас Оксли (Thomas Oxley), говорит, что компания сейчас представляет для публикации результаты технико-экономического испытания, в котором приняли участие четыре человека и участники которого пользовались беспроводным устройством дома, когда им это было нужно. "Из тела ничего не торчит. И оно всегда работает", – говорит Оксли. Следующим шагом перед подачей заявки на одобрение FDA, по его словам, будет более масштабное исследование, чтобы оценить, действительно ли устройство улучшает функциональность и качество жизни.

ПРЕДСТОЯЩИЕ ЗАДАЧИ

Большинство исследователей, работающих над BCI, реалистично оценивают стоящие перед ними задачи. "Если оглянуться назад, то это действительно сложнее, чем любое другое неврологическое устройство, когда-либо созданное", – говорит Шеной. "Вероятно, предстоит несколько трудных лет для дальнейшего совершенствования технологии".

Орсборн подчеркивает, что коммерческие устройства должны будут работать без контроля специалистов в течение нескольких месяцев или лет, и что они должны одинаково хорошо функционировать у каждого пользователя. Она ожидает, что достижения в области машинного обучения позволят решить первую проблему путем предоставления пользователям возможности выполнять действия по перекалибровке. Но достижение стабильной работы у разных пользователей может оказаться более сложной задачей.

"Изменчивость от человека к человеку – это тот случай, когда мы не знаем, каков масштаб проблемы", – говорит Орсборн. У нечеловеческих приматов даже небольшие вариации в расположении электродов могут повлиять на то, какие цепочки будут задействованы. Она подозревает, что существуют также важные индивидуальные особенности в том, как именно разные люди думают и учатся, а также в том, как на мозг пользователей повлияли их различные заболевания.

Наконец, повсеместно признается, что этический надзор должен идти в ногу с этой быстро развивающейся технологией. BCI вызывают множество проблем, начиная от конфиденциальности и заканчивая личной автономией. Специалисты по этике подчеркивают, что пользователи должны сохранять полный контроль над выходными сигналами устройств. И хотя нынешние технологии не могут расшифровать личные мысли людей, разработчики будут иметь записи о каждом общении пользователей и важнейшие данные о здоровье их мозга. Кроме того, BCI представляют собой новый тип риска кибербезопасности.

Для участников также существует риск, что их устройства могут не обслуживаться вечно, или что компании, которые их производят, прекратят свою деятельность. Уже известны случаи, когда пользователей подводили, когда имплантированные им устройства оставались без технической поддержки.

Дегрей, тем не менее, очень хочет, чтобы BCI стали доступны большему количеству людей. По его словам, больше всего он хотел бы получить от вспомогательных технологий возможность почесать свою бровь. "Все смотрят на меня в кресле и всегда говорят: "О, этот бедный парень, он больше не может играть в гольф". Это плохо. Но настоящий ужас – это когда посреди ночи по твоему лицу ползет паук. Вот что плохо".

Для Джонсона главное – это человеческая связь и тактильная отдача; объятия любимого человека. "Если мы сможем составить карту нейронов, которые отвечают за это, и каким-то образом отфильтровать ее в протезное устройство когда-нибудь в будущем, тогда я буду чувствовать удовлетворение от своих усилий в этих исследованиях".

Лиам Дрю