27.07.2021
Наш канал в Telegram: https://t.me/berzaru

Нейроинтерфейсы — новая старая технология

Нейроинтерфейс

В последние пару лет всё чаще можно услышать о развитии «нейроинтерфейсов» и других нейротехнологий. Масла в огонь подлил и Илон Маск, выступив в сентябре 2019 года с презентацией о готовящейся революции в этой области. О новых тенденциях одного из самых многообещающих направлений порталу «Берза» рассказал Даниил Бережной, преподаватель курса «Основы современной нейробиологии» Открытой лаборатории искусственного интеллекта МФТИ.

Вслед за успехами в области альтернативной энергетики, умных автомобилей и даже освоения космоса, одна из его компаний, Neuralink, решила одолеть ещё один казавшийся неприступным барьер – расшифровать сигналы человеческого мозга и, в перспективе, объединить его с компьютером.

И вот тут уже не на шутку забеспокоились не конкуренты из автопрома или Роскосмос, а простые люди, которых, давайте сразу определимся, данная технология пока затронет настолько же мало, как и ракеты, бороздящие пределы космоса.

Но время общественного интереса к нейротехнологиям, видимо, уже настало, и вживление чипов в мозг, передача мыслей через интернет или усиление собственных когнитивных способностей с помощью технических устройств уже не кажется чем-то невероятным. Эта реальность уже существует на экранах наших телевизоров, в компьютерных играх и сериалах.

Притом все эти нейро-био-инфо-когно (НБИКС, как их называют в научном мире) технологии до сих пор остаются непонятными с точки зрения принципов работы и, возможно, поэтому и вызывают опасения. Мы уже достаточно давно готовы к вживлению чипов в мозг технически, но до сих пор не знаем, что этот чип должен там делать. Так же как не знаем, каким образом функционирует сам мозг.

Пока не будут раскрыты «нейронные коды», с помощью которых происходит обмен сигналами между нервными клетками, говорить о каких-то прорывах в нейротехнологиях рановато. Но что же тогда скрывается за этим страшным словом «чипирование»?

Нужны ли кошкам микрочипы?

Технологии нейроинтерфейсов предполагают вживление электродов в мозг для электрической стимуляции или регистрации очень слабых изменений напряжения, отражающих электрическую активность нервной ткани. Эти технологии сами по себе не являются чем-то революционно новым, развиваются достаточно давно, но в первую очередь используются в научных исследованиях для регистрации биоэлектрической активности мозга животных.

Разные варианты “чипов” - кремниевых электродных матриц для регистрации нейронной активности (В - Utah array). Взято из научной статьи.
Разные варианты “чипов” — кремниевых электродных матриц для регистрации нейронной активности (В — Utah array). Взято из научной статьи.

Еще в 1949 году Швейцарский физиолог Рудольф Хесс получил Нобелевскую премию за исследования роли гипоталамуса, глубинной структуры мозга, с помощью вживления в мозг кошек длинных и тонких металлических электродов. Такие электроды похожи на кусочки проволоки, только очень тонкие, от 10 до 100 мкм, что позволяет их вводить в мягкую ткань мозга на большую глубину.

Животное с такими «проводами в мозге» и разъёмом для подключения на поверхности черепа может свободно передвигаться, питаться и жить своей обычной жизнью, а исследователь при этом имеет возможность следить за активностью нейронов для расшифровки «нейронных кодов», – последовательностей нервных импульсов при определённом поведении.

Похожие электроды для исследования нейронной активности в мозге свободноподвижных животных используются и в настоящее время, но уже понятно, что активность одного конкретного нейрона мало что может сказать о поведении, которое скорее определяется «коллективным решением» большого количества нервных клеток. В одном из нашумевших исследований, в котором по наблюдению нейронной активности удалось предсказать, какое изображение видит кошка (Stanley et al., 1999), исследователи напрямую пишут, что «разрешение» реконструкции напрямую зависело от количества нервных клеток, которые они регистрировали. Значит, чем больше электродов в мозге, тем лучше.

И вот здесь как раз и появляется пугающее слово «чип» для головного мозга. Дело в том, что с развитием технологии фотолитографии стало удобнее изготавливать сложные электроды автоматически, а не вытягивать их из проволоки вручную. Такие электроды производятся из кремния по той же технологии, что и компьютерные процессоры, и представляют собой квадратный или вытянутый «чип» из множества тонких иголочек с контактами на конце. С помощью такого метода можно получить гораздо большее количество регистрируемых точек на единицу площади, чем при использовании металлических электродов.

Используют ли чипы на людях?

Вариант нейроинтерфейса для движения курсором на экране компьютера с использованием электродной матрицы Utah array. Взято из научной статьи.
Вариант нейроинтерфейса для движения курсором на экране компьютера с использованием электродной матрицы Utah array. Взято из научной статьи.

От экспериментов на животных до тех научно-фантастических картин, которые рисует наше воображение, достаточно далеко. Ведь одно дело — фундаментальная наука, а совсем другое — имплантация электродов в мозг человека. Зачем такое вообще может понадобиться?

На самом деле, эта область очень тесно связана с областью нейропротезирования и восстановительной неврологии. Если для большинства людей вживление электродов в мозг ещё представляется чем-то из области научной фантастики, то для врачей-неврологов и нейрохирургов эта технология уже стала реальностью. Порой, несмотря на высокую стоимость и возможную опасность операции, это единственный способ помочь пациентам с эпилепсией, болезнью Паркинсона, врождённым отсутствием зрения или потерявших способность к движению. При этом для разных заболеваний применяются два противоположных подхода: стимуляция мозга пациента с помощью имплантированных электродов и регистрация активности отдельных нейронов в головном мозге.

Давно и успешно применяется такой метод как глубокая стимуляция мозга (deep brain stimulation — DBS), когда в определённые гиперактивные зоны мозга пациентов, например, субталамическое ядро при болезни Паркинсона, имплантируют электроды. Электроды глубоко в мозге через гибкие провода соединяются с небольшим устройством на батарейках — нейростимулятором, которое подает регулярные электрические разряды. По сути, этот генератор импульсов очень похож на кардиостимулятор, который давно используется для пациентов с нарушениями сердечного ритма.

Только в случае глубокой стимуляции мозга подаваемые разряды не задают ритм работы мозга, а тормозят гиперактивные структуры, что позволяет снизить паркинсонический тремор или снять начинающийся эпилептический припадок. Для таких пациентов альтернатива вживления тонких электродов в мозг позволяет избежать удаления областей мозга, вызывающих проблему.

Количество людей с имплантатами для глубокой стимуляции мозга по приблизительным оценкам сейчас составляет около 80 тысяч (Kestenbaum et al., 2015), — и это только для лечения болезни Паркинсона, не учитывая эпилепсию и отдельный класс устройств — нейропротезы органов чувств, широко распространенные кохлеарные импланты, или слуховые протезы — более 300 тысяч, и недавно появившиеся протезы сетчатки.

Вторая медицинская технология, предполагающая «чипирование» мозга — это нейропротезирование для восстановления подвижности парализованных пациентов. Если стимуляция мозга и протезирование органов чувств на её основе развивается уже с 60-х годов ХХ века, двигательные нейропротезы начинают появляться буквально в последние десятилетия. Эта технология работает в обратную сторону, так же как и наша двигательная система по отношению к органам чувств.

Если в случае протезов органов чувств нужно доставить сигналы из внешнего мира в мозг, моторный нейропротез должен регистрировать активность нейронов головного мозга и передавать эту активность на мышцы или роботизированные протезы (Hochberg et al., 2012). В этом случае система состоит из 96-256 электродов, собранных в небольшой чип 4х4 мм, известный как электродная матрица из Юты — Utah array (по названию Университета штата Юта).

Этот чип с помощью небольшого трепанационного отверстия располагается на поверхности моторной коры головного мозга, отвечающей за планирование движений. Сигнал с каждого из электродов чипа нужно усилить, поскольку он измеряется в микровольтах, и оцифровать с высокой частотой прежде чем его можно будет передать на компьютер. Процесс оцифровки здесь нужен также как для музыки при перезаписи её с аналоговой пластинки на цифровой диск.

Компьютер же регистрирует изменение частоты разрядов нейронов моторной коры и осуществляет управление внешним устройством, например, роботизированной рукой. Таким образом, технически система состоит из четырех элементов: чипа — т.е. самой электродной матрицы, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, и компьютера — счётчика нервных импульсов. Она не сильно отличается от тех систем, которые используют в нейрофизиологических исследованиях на животных.

Тем не менее, на настоящий момент существует только один прототип такого устройства, который прошел успешные испыок, тания на людях — система BrainGate. Именно с использованием этого устройства в 2012 году двое пациентов с полным параличом конечностей смогли управлять роботизированными протезами, и одной из них, 58-летней Кэти Хатчинсон, даже удалось попить кофе с помощью роботизированной руки.

Правда до мгновенного чтения мыслей или предсказания движений этой технологии ещё очень далеко. Для того, чтобы научиться так двигать роботизированной рукой, пациентке потребовалось 1975 дней тренировок с данным имплантатом, по данным самих авторов (Hochberg et al., 2012). Для большого количества парализованных людей и такой результат был бы пределом мечтаний. Но почему же мы не видим широкого применения этой технологии для лечения людей, потерявших подвижность конечностей?

Дело в том, что на пути развития данной технологии стоит ряд чисто технологических проблем, которые делают ее крайне неудобной для долговременного использования. Это и сложность самой операции, и громоздкие разъёмы с проводами на голове испытуемого (не так-то просто передать 96 каналов сигнала), и необходимость компьютерной обработки сигнала, а также энергоёмкость всей системы.

Но главная проблема — это само соединение электродов с тканью человеческого мозга. Учитывая, что «нейронный код» человеческого мозга до сих пор не расшифрован, мы до сих пор не знаем, какой сигнал является шумом, а какой окажется полезен для работы системы. А значит, чем больше электродов будет находиться в мозге — тем лучше. Но на каждый электрод, тонкую проволочку или иголку кремниевого чипа, нервная ткань будет реагировать как на инородное тело, будет пытаться его отторгнуть, изолировать, уменьшить контакт с ним.

Возникает проблема биосовместимости — сколько бы электродов мы не расположили в мозге, через 4 недели вокруг половины из них образуются капсулы из соединительной ткани, а значит нейронную активность они уже не зарегистрируют. Кроме того, твердые электроды в мягкой ткани мозга создают дополнительную опасность при ее смещении, например, при падении. Одним из возможных решений данной проблемы является отказ как от проволок, так и от чипов, и создание гибких полимерных электродов, которые бы могли смещаться вместе с тканью мозга.

Чаще всего для этих целей применяют полиимид, технология работы с которым отработана на примере изготовления гибких печатных плат для радиоэлектроники. Но у гибких электродов-нитей, которые более безопасны для мозга и в исследованиях демонстрируют большую биосовместимость, есть свои ограничения. Если острые проволочки или твёрдые кремниевые чипы могут сами проткнуть твердую мозговую оболочку при вживлении, гибкие электродные нити на это неспособны. Таким образом, их сильная сторона оказывается одновременно и слабым местом.

А причём здесь Маск?

Как видите, область «чипирования» мозга не стоит на месте, эта технология давно используется как на животных, так и на людях, и от нее уже даже начинают отказываться в пользу гибких полимерных электродов. Только вот до передачи мыслей ещё далеко, да и первыми моторными нейропротезами может похвастаться разве что BrainGate — своего рода монополист в этой области. А при чем же здесь компания Маска Neuralink? В 2019 году в своей презентации и в соответствующей обзорной научной статье он рассказал о ряде революционных решений и подходов в этой области, которые мы постараемся кратко рассмотреть.

По сути, главная идея компании Neuralink — это максимальное упрощение и автоматизация процесса вживления электродов и получения данных о нейронной активности, создание определенной технологической инфраструктуры в этой области, которую можно будет в дальнейшем применять как для исследовательских, так и для медицинских целей. Предложенная система состоит из трёх основных элементов — полимерных электродных нитей, роботизированной системы для их вживления, и интегральной микросхемы, которая сможет осуществлять первичную обработку полученных сигналов и их передачу на компьютер. В описании системы Neuralink чувствуется бизнес-подход Маска: оптимизация процессов и нацеленность на конкурентов, то есть сопоставление системы с BrainGate.

Так, компания Neuralink создала гибкие нитевидные электроды из полиимида с золотым проводником, которые обладают меньшей толщиной (от 5 до 50 мкм) и большей длиной (20 мм), чем отдельные шипы Utah array, и при этом каждая из этих нитей на своем протяжении может регистрировать до 32 точек нейронной активности. Суммарно, система из 96 таких нитей, также объединенных в один чип-матрицу, способна зарегистрировать 96*32 = 3072 канала, то есть активность более 3 тысяч нейронов. На настоящий момент это беспрецедентная плотность регистрации сигналов от мозга, на порядок превышающая обеспечиваемую BrainGate.

Вживление таких нитей предлагается оптимизировать с помощью очевидного, но весьма оригинального подхода — робота-швейной машинки. Это автоматическая система позиционирования и подачи электродных нитей, внешне похожая на 3D принтер, но только для мозга. А вот сам картридж для вживления действительно позаимствован у швейной машинки — на конце каждой нити есть небольшая петелька, которая захватывается иглой устройства и вставляется в мозг на нужную глубину.

Место введения освещается несколькими световыми источниками, чтобы лучше визуализировать процесс и дать возможность скорректировать место вживления электродов для обхода поверхностных сосудов. С предложенной технологией удалось достигнуть 90% точности вживления электродов при рекордной скорости в 45 мин на одну операцию. Это действительно впечатляющий результат, учитывая необходимую точность даже не в мм, а в мкм.

Помимо разработки электродных нитей и способа их вживления, важной частью системы является чип, на этот раз не электродный, а самая настоящая интегральная микросхема (ASIC — application specific integrated circuit) в титановом корпусе для обработки сигнала. Как и в научно-фантастических фильмах её планируется размещать под кожей головы, в непосредственной близости от электродов, но на этом сходства заканчиваются.

Выполняет она довольно прозаичные функции — усиления слабых сигналов с электродов и их оцифровки. Главная задача Neuralink заключается в отказе от проводов, отдельных усилителей и компьютеров, как в системе BrainGate, и переход к носимой электронике. Это достигается предварительной оцифровкой сигналов на чипе с рекордно низким энергопотреблением (всего 6 мВатт) и передачей её уже в компактном цифровом виде по беспроводному протоколу связи, похожему на Bluetooth. Стоит заметить, что это не наши мысли будут витать в воздухе, а все та же информация об изменении электрического потенциала на каждом из вживленных электродов. И пока что для её анализа и даже самого выделения разрядов нервных клеток из шума все равно требуется компьютер.

Теперь немного о целях и планах, которые ставит перед собой компания Neuralink. Пока что компания представила только прототип устройства и результаты его тестирования в пилотных экспериментах на крысах. В перспективе подобное готовое решение может быть очень удобным для научных исследований. Но у Neuralink, безусловно, гораздо более амбициозные планы. Что бы не говорил Илон Маск, связаны они пока не с объединением сознания человека с компьютером, а с медицинским применением устройства.

Так, уже на 2020 год запланированы клинические испытания системы, предполагающие вживление аж 4 чипов в мозг (3 в моторную кору, 1 в соматосенсорную) у парализованных больных с целью восстановления движения. А тем временем с помощью нейрочипов BrainGate люди с полным параличом конечностей уже во всю пользуются планшетом и переписываются в Google Hangouts. Но как мы знаем, конкуренция полезна для рынка.