Нейроинтерфейсы для медицины, и не только: какое будущее нас…

Нейроинтерфейсы для медицины, и не только: какое будущее нас ожидает.
Медицина — самая очевидная и наиболее исследованная сфера применения нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ). Они помогут справиться сразу с несколькими нерешенными пока задачами. Но многих беспокоит потенциальное военное применение. Пентагон финансирует исследования по разработке дронов, которые могли бы контролироваться оператором с помощью НКИ. Это позволит солдатам «телепатически» управлять группами беспилотных летательных аппаратов — в том числе, отдавать приказы открыть огонь по живым целям. НКИ потенциально способны наделить носителя возможностями, значительно превосходящими те, что есть у людей без НКИ.

Попробуем разобраться, что такое нейрокомпьютерные интерфейсы, как они появились и куда могут привести человечество.

Нейрокомпьютерный интерфейс (Brain Computer Interface, НКИ) — это устройство, которое позволяет человеческому мозгу взаимодействовать c внешним программным или аппаратным обеспечением, таким как компьютер или, например, роботизированный манипулятор. Эти устройства считывают электрическую активностью мозга и передают её вовне (обычно компьютер), где сигналы интерпретируются и связываются с определённым действием. В практическом смысле это позволяет носителю интерфейса превратить свои мысли в действия, например управлять курсором компьютерной мыши или протезом.
История нейроинтерфейсов началась с открытия Хансом Бергером электрической активности мозга и развития электроэнцефалографии (ЭЭГ). В 1924 году Бергер первым записал активность человеческого мозга с помощью ЭЭГ.

Первым устройством, которое можно считать нейроинтерфейсом, является Stimoceiver. В 1950-х годах Хосе Дельгадо, нейрохирург, протестировал его на мозге быка, заставив животное изменить направление движения с помощью НКИ.

Термин Brain Computer Interface придумал профессор Универститета Калифорнии Жак Видаль. Он же в 1977 провёл первый эксперимент с нейроинтерфейсами, продемонстрировавший возможность управлять графическим объектом (курсором на экране компьютера) с помощью ЭЭГ.

В 1998 Филипп Кеннеди впервые внедрил нейроинтерфейс в человека. Им стал художник и музыкант Джонни Рэй. Во время эксперимента Рэй, представляя движение собственных рук, мог управлять курсором на экране компьютера.

В 1999 группа исследователей Яна Дэна из Ун-та Калифорнии расшифровала сигналы зрительной системы кошки и сумела воспроизвести изображения, которые мог воспринимать ее мозг.

За следующие четверть века учёные по всему миру произвели сотни различных экспериментов с НКИ — прежде всего в медицине. С разной степенью успешности нейроинтерфейсы облегчают реабилитацию людей с нарушениями деятельности нервной системы. В результате исследований возникло сразу несколько разновидностей нейрокомпьютерных интерфейсов.

Разновидности НКИ
Существуют 3 основных типа нейроинтерфейсов: неинвазивные, малоинвазивные и инвазивные.
Инвазивные технологии ИМК обычно включает операцию вскрытия черепной коробки (краниотомии) для установки электродов в головной мозг. Хотя это приводит к наиболее точному получению ЭЭГ, такой
инвазивный способ слишком травматичен и может привести к воспалительной реакции и отторжению.
Неинвазивные технологии связаны со снятием ЭЭГ на поверхности черепа без его вскрытия. Это безопасный способ в отличие от инвазивных методов, но качество получаемой ЭЭГ при этом более низкое.
Малоинвазивные способы в русскоязычной литературе иногда называют полуинвазивными. Малоинвазивные имеют прямой контакт с мозгом, но только на его поверхности, без внедрения в ткань.
Вот одна из вариация такой технологии. Чтобы имплантировать устройство Layer 7 от компании Precision, нейрохирург делает очень тонкий разрез на черепе и вставляет устройство, как письмо в почтовый ящик. Сообщается, что толщина разреза составляет менее миллиметра – настолько мала, что пациентам даже не нужно сбривать волосы для процедуры.
Понятно, что разрезом только кожи ограничиться невозможно. Получается, что всё-таки производится трепанация — но такой щадящей методикой, когда в костной ткани черепа образуется тонкая щель. Получается, что внедрённый таким образом нейроимплант находится над мозговой тканью.
Интервенционные технологии установки НКИ также можно отнести к малоинвазивным. Хирургическое вмешательство при этом сравнимо с теми методами которые применяют при стентировании коронарных артерий.
Манипуляция заключается в следующем: устройство вводят в сосуд головного мозга через вену. Это не требует вскрытия черепа и операции на открытом мозге и это является преимуществом в отличие от инвазивных методов.
Качество ЭЭГ при этом превосходит качество ЭЭГ, получаемой при неинвазивной технологии.

НКИ также подразделяются на односторонние и двусторонние. Первые способны считывать сигналы мозга, вторые — ещё и транслировать их обратно в мозг.

Стартап Илона Маска работает над технологией инвазивных нейроинтерфейсов. Устройство размером с монету с особыми «нейронитями» уже вживили участнику эксперимента, парализованному ниже плеч Нолану Арбо в ткань мозга. Через несколько дней после этого мужчина уже использовал чип от Neuralink, чтобы посредством мыслей управлять курсором на экране компьютера. Кроме того, Арбо смог снова общаться с друзьями, играть в компьютерные игры и пользоваться всеми возможностями электронной почты.

Глобальная же цель Маска — создать продукт, который превратит любого человека в киборга, способного управлять машинами силой мысли, «скачивать» знания в виде обновлений и делиться ими с другими такими же киборгами.

Сферы применения нейроинтерфейсов
Медицина — самая очевидная и наиболее исследованная сфера применения НКИ. Они помогут справиться сразу с несколькими нерешенными пока задачами.

«Моторная» реабилитация и лечение неврологических заболеваний
НКИ дают возможность пациентам напрямую управлять экзоскелетами и роботизированными конечностями. Это возможно благодаря способности таких устройств читать сигналы непосредственно из мозга, в обход травмированного или поражённого болезнью участка нервной системы.
Кроме того, существуют исследования, показывающие, что людям с боковым амиотрофическим склерозом (постепенный паралич мышц), различными видами паралича, последствиями инсульта и повреждений головного и спинного мозга НКИ способны существенно улучшить качество жизни.

Возвращение речи пациентам с патологией головного мозга
НКИ могут декодировать мысли человека в слова. Команда учёных из Стэнфордского университета разработала экспериментальный нейрокомпьютерный интерфейс, который может декодировать до 62 слов в минуту, что соответствует естественной скорости речи. В исследовании принял участие немой пациент, страдающий боковым амиотрофическим склерозом. Он пользовался специальной программой-словарём, которая предварительно была обучена распознавать до 125 000 слов в потоке сигналов от его мозга.

Изучение работы мозга и мониторинг психического здоровья
Хоть человеческий мозг постоянно и много изучают, огромная часть его функций и принципов работы остаётся для учёных загадкой. Использование нейрокомпьютерных интерфейсов позволит собрать беспрецедентные объемы данных о мозге и, как следствие, изучить его лучше. На практике это означает, что НКИ помогут полнее понять процессы, происходящие в мозге, например, при психических расстройствах и у здоровых людей в процессе обучения.

Использование в быту
В конце концов, НКИ должны сделать жизнь более комфортной на простом бытовом уровне, иначе зачем их вообще изобретать! В нескольких исследованиях пользователи смогли управлять социальными сетями, почтовыми службами, виртуальными помощниками и сервисами мгновенных сообщений без использования двигательных навыков — всё через НКИ. Изменение освещения в помещении, смена канала на телевизоре — примеры того, как неинвазивные нейрокомпьютерные интерфейсы (не требующие трепанации черепа или введения через кровеносные сосуды) могут быть адаптированы для использования в бытовых целях.

Хотя все перечисленные примеры прикладного применения пока что в основном находятся на ранней экспериментальной стадии, кое-какие направления уже покинули стены лабораторий и вышли на рынок.

Кроме Neurolink
Нынешний оценочный объем рынка НКИ невелик — всего $1,74 миллиардов, впрочем, к концу десятилетия он, по ожиданиям аналитиков, может вырасти до $6,2 миллиардов. Neurolink, благодаря репутации и медийным усилиям своего босса, прослыла самой знаменитой «нейроинтерфейсной» компанией, но есть и другие.

Например, стартап Neurable разрабатывает неинвазивную гарнитуру, которая считывает сигналы мозга носителя и анализирует их в поисках пиковых периодов концентрации в течение дня. Определив эти периоды, устройство автоматически отключает уведомления на телефоне, активирует шумоподавление в наушниках и включает режим «Не беспокоить»,

Neurable также способно отслеживать, как различные песни и жанры влияют на концентрацию пользователя. На основе этого анализа система Neurable рекомендует человеку персонализированные плейлисты, а кроме того — регистрирует сигналы усталости мозга и предлагает делать перерывы.

Предполагается, что всё это позволяет владельцу быть продуктивным в наиболее комфортное для себя время суток. Чтобы установить, действительно ли использование этого устройства приводит к увеличению продуктивности — нужны отдельные исследования.

Компания Precision Neuroscience разрабатывает малоинвазивный имплантируемый НКИ с уникальным свойством — в случае чего его можно извлечь. Cortical Interface Layer 7 — это тонкая пленка с микроэлектродами длиной примерно 1,5 сантиметра и толщиной меньшей, чем у человеческого волоса. Выше было описано — как эта плёнка устанавливается на поверхность мозга без повреждения его тканей.
Основной своей целью Precision видит создание массовых НКИ, которые позволили бы исследовать и лечить неврологические заболевания не только крупным медицинским учреждениям, но небольшим исследовательским лабораториям с ограниченным бюджетом. В июне 2023 года Precision провела клиническое исследование своего имплантата на людях, и испытания признали успешными.

Компания Synchron вживляет НКИ в мозг пациентов через кровеносные сосуды. Имплантируемый через ярёмную вену нейропротез Stentrode доставляется в кровеносный сосуд, находящийся вблизи моторной коры. Восьмимиллиметровая гибкая чип-пластина передает мозговые сигналы на специальное устройство на грудной клетке пациента, а оно уже переводит мысли в клики и нажатия клавиш на компьютере или мобильном устройстве в режиме реального времени.

Synchron начали испытывать на людях еще в 2021, и испытания продолжаются. Сейчас этим устройством пользуются четверо американцев и трое австралийцев. Главная особенность технологии в том, что для её внедрения пациенту не нужно вскрывать черепную коробку.

Blackrock Neurotech тестирует свои устройства на людях с 2004 года — это одна из самых долгоживущих «нейрокомпаний» на рынке. Blackrock разрабатывает технологическую платформу, которая впоследствии используется в прикладных решениях, помогающих пациентам восстановить тактильные функции, двигательные способности конечностей или адаптироваться к использованию протезов, а кроме того, НКИ Blackrock позволяет своим носителям управлять цифровыми устройствами при помощи мыслей.

Испытания нейроинтерфейсов проходят уже более полувека, положительные результаты существуют, однако они всё ещё не получили широкого распространения. По крайней мере, за пределами медицинской сферы. Тому есть 3 основных препятствия — получение одобрения регуляторов, финансирование и проблемы в области безопасности и этики.

Проблемы

Регулирование
Первое препятствие заключается в том, что НКИ обычно регистрируются как медицинские устройства и подпадают под юрисдикцию министерств здравоохранения и их аналогов. Это означает, что перед выходом на рынок продукт должен пройти немалое количество тестов и получить лицензии, условия выдачи которых во многих случаях не представляют и сами регуляторы.. Одно дело — лицензировать градусник или тонометр, и совсем другое — сложное электронное устройство, которое должно работать с очень уязвимым и невероятно важным органом — мозгом. У регулирующих госорганов нет достаточного опыта в оценке подобных устройств, что создаёт дополнительные проблемы для компаний, желающих вывести свои продукты на рынок.

Экономика
Рынок подобных устройств пока сравнительно небольшой, сами продукты — очень дорогие, и без помощи страховых программ или государственных субсидий, которые могли бы покрывать их «установку», в первое время их смогут себе позволить очень немногие люди. Пока не начнёт расти количество клиентов, компании не получат возможности по-настоящему масштабировать технологию и снизить её конечную цену.

Риски безопасности и этика
Пока речь ведётся о медицинском применении НКИ, особенно в части восстановления способностей пациентов с серьезными поражениями нервной системы, этическая сторона проблемы уходит на задний план. Однако стоит рассмотреть другие потенциальные сферы применения, как возникает множество вопросов.
1)безопасность для здоровья. Поскольку практика применения НКИ пока ещё весьма невелика, нет никаких данных, позволяющих оценить, какой эффект окажет на организм человека длительное использование таких устройств.
2) информационная безопасность. НКИ — это беспроводное электронное устройство, способное взаимодействовать с нервной системой. Защищённость подобных продуктов от кибератак пока что никто серьёзно не проверял, но в соседней по медицинскому контексту сфере имплантируемых кардиостимуляторов прецеденты взломов уже были.
3) личная безопасность. Когда Хосе Дельгадо с помощью прообраза НКИ заставил быка идти туда, куда захотелось Хосе, помимо признания в научном мире, он получил также шквал критики за аморальность своего эксперимента. Люди явно представили себя на месте быка, а ещё — те страшные сценарии, в которых пульт управления окажется в руках злоумышленника. Едва ли страх общества перед такой возможностью уменьшится, когда технология начнёт получать массовое распространение.
4) вызывает вопросы этическая сторона использования устройств для учёбы и в карьерных целях. Как оценивать результаты вступительных экзаменов в университет, если допустить, что у одних кандидатов будет чип, помогающий им лучше усваивать информацию, а у других — нет? Как организовать справедливый наем на работу, если у одних кандидатов есть технология, повышающая их продуктивность, а у других — только их мозг.
5) многих беспокоит потенциальное военное применение. Министерство обороны США финансирует исследования по разработке беспилотных дронов, которые могли бы контролироваться оператором с помощью НКИ. Это позволит солдатам «телепатически» управлять группами беспилотных летательных аппаратов — в том числе, отдавать приказы открыть огонь по живым целям.
НКИ потенциально способны наделить носителя возможностями, значительно превосходящими те, что есть у людей без НКИ.

Будущее
По мнению некоторых исследователей, в долгосрочной перспективе технология НКИ способна стать определенного рода «третьей корой», еще одним уровнем человеческого мозга, который создаст устойчивую связь между человеком и машиной.

Нейробиолог Дэвид Иглмен пишет в своей книге «Живой мозг»: «Теперь задумайтесь, какие перспективы все это откроет передчеловечеством в ближайшем будущем. Как вам идея дистанционно управлять роботом, причем только силой мозговой активности?.. Если захотите, чтобы робот поднял руку, он тут же сделает это. А если пожелаете присесть на корточки, выполнить пируэт или подпрыгнуть, робот исполнит вашу мысленную команду мгновенно и безошибочно. Это из области фантастики, скажете вы. Вовсе нет, мы с вами уже на пути в нашу ближайшую реальность».

Таким образом, люди перестают быть простым биологическим видом, они становятся способны управлять машинами напрямую. А также — обмениваться информацией друг с другом напрямую, без дополнительных «физических» интерфейсов управления. Картинка всё еще выглядит кадром из научно-фантастического фильма, но стоит признать, что науки в ней становится всё больше, а фантастика превращается в реальность.

Все иллюстрации к статье — представлены здесь
https://vk.com/@neurocognitivistica-neirointerfeisy-dlya-mediciny-i-ne-tolko-kakoe-buduschee-nas