Человек на радиоуправлении: как в России разрабатывают нейроинтерфейсы

Юрий Матвиенко аккуратно высыпает из пакета на стол множество разных элементов. «Прежде чем начинать разговор, компоненты обязательно надо подержать в руках, – улыбается он. – Ну вот скажи, правда ведь эти датчики очень тактильные?»

Технология нейроинтерфейсов также делится на две группы: считывание сигналов и функциональная стимуляция, когда в ответ на электростимуляцию блуждающего нерва организм реагирует определенным образом. Большинство работающих технологий как раз из последней области, и они прежде всего решают проблемы блокирования сигналов: купируют фантомные боли, приступы, тремор.

Блуждающий (вагусный) нерв – периферический нерв, на который можно воздействовать напрямую, и для него разработаны специальные электроды в виде миниатюрных спиралевидных «штопоров». Передо мной лежит как раз такой.

Хирург визуально обнаруживает вагусный нерв, оборачивает его спиралевидными электродами, закрепляет специальным якорем, чтобы не смещался, и подшивает. Дальше электрод подключается к стимулятору, который вшивается в подключичную область в районе грудной клетки: эта часть меньше всего двигается. Аккумуляторы стимулятора подзаряжаются индукционным способом, как мобильные телефоны, никаких новых разрезов для подзарядки делать не надо. Существуют и более сложные электроды SCS (Spinal Cord Stimulator) с большим количеством контактов для имплантации в район спинного мозга. Они помогают купировать боли в спине, верхних и нижних конечностях.

Например, чтобы уменьшить болевой синдром, врач сначала сам настраивает уровень сигнала. Нужные параметры подбираются не сразу: у некоторых пациентов процесс занимает минут пятнадцать, другим порой необходим целый день. И только после этого доктор выдает второй пульт пациенту – теперь тот может использовать стимулятор в уже установленных специалистом режимах.

Приступы боли или эпилепсии обычно эпизодические, поэтому пациент включает устройство лишь при необходимости. Причем сегодня человеку даже не всегда нужно приезжать к врачу: теперь их можно настраивать удаленно через интернет.

Компания «Моторика» – один из ведущих производителей высокотехнологичных протезов верхних конечностей и много знает о проблемах, с которыми сталкиваются их клиенты. Одна из них – фантомные боли. Например, человек, потерявший руку, не только продолжает чувствовать ее, но и ощущает боль, характерную для полученной травмы.

Пациент, который пострадал в результате высоковольтного разряда, рассказывает: «Мои ладони и тыльная сторона кистей будто горят». Другой описывает свои ощущения так: «Представьте, что ваши руки находятся в ведре с горячим битумом, а вы ничего не можете сделать». Еще один утверждает: «У меня сильно сжаты фаланги пальцев. Попробуйте посидеть, сжав фаланги, и через некоторое время вы почувствуете боль. А я живу с этим всю жизнь».

Классическое медикаментозное лечение, хоть и более дешевое, не всегда результативно и имеет серьезные побочные эффекты. Нейростимуляция же помогает убрать фантомные боли, часто навсегда. А пока шли исследования в данной области, нейростимуляторам нашлось еще одно применение.

При настройке приборов исследователи много времени тратят на картирование – подбор характеристик сигнала и запись ощущений пациента. Например, человек говорит про несуществующую руку: «Я чувствую в этой части покалывание, а в той – вибрацию». И «Моторика» поставила перед собой инженерную задачу: разработать специальные датчики, которые при прикосновении передавали бы нужный сигнал.

Юрий Матвиенко выкладывает передо мной силиконовые копии подушечек пальцев со встроенными тензодатчиками и прибор с вибромотором. Я слегка сжимаю пальцы – и чувствую вибрацию. Нажимаю сильнее – вибрация увеличивается. Но если передавать сигнал не на вибромотор, а прямо в нервную систему человека, то при прикосновении протеза к предмету можно понять, что произошло нажатие. Тензометрические датчики позволяют заменить рецепторы чувствительности и давления.

Дальше специалисты установили особые углоизмерители в пальцы бионического протеза Manifesto, у которого шесть степеней свободы у каждого пальца в отдельности, и пациент после обучения смог без визуального контакта и в наушниках (чтобы не слышать шума моторов) определить размер предмета.

На первом этапе компания работала с двумя пациентами, на втором – с тремя, причем уже с другими типами травм. Им также имплантировали электроды, что позволило различать размеры. Следующий шаг – научить протез чувствовать, мягкий предмет или твердый. Как человек определяет это качество? Когда вы берете какой-то предмет, то слегка сжимаете его.

Такие ощущения очень важны для пациентов. Один из них рассказывает: «Когда вы едете в машине, то даже не задумываетесь, где ваши руки. А мне, чтобы посмотреть, лежит ли моя рука на рычаге переключения трансмиссии, надо включать свет. И вернуть даже небольшую тактильную чувствительность для меня, потерявшего кисть 23 года назад, просто невероятный вау-эффект».

На третьем этапе инженеры занялись нижними конечностями: исследовали возможность передачи сигнала со стопы в нервную систему, чтобы создать такой тип протезов, который будет управляться посредством собственных ощущений в зависимости от того, на какую поверхность наступает нога. С помощью тех же тензометрических датчиков специалисты разработали умную стельку, которая в определенных точках посылает сигналы нервам, вызывая те или иные ощущения. Юрий уверен, что эта технология может применяться не только при протезировании, но и в реабилитационных целях, для борьбы с такими проблемами, как, например, провисающая стопа или полинейропатия.

К имплантированию нейроинтерфейсовв мозг Юрий Матвиенко относится настороженно. Одна из проблем биологических датчиков – биосовместимость: все инородные предметы тело обычно отторгает, либо удаляя путем нагноения, либо инкапсулируя, пряча под слоем соединительной ткани. Предмет, сделанный из гипоаллергенных и химически нейтральных материалов, например, платиноиридиевой группы или медицинских силиконов, может существовать внутри человека практически вечно.

Именно в таких капсулах и находятся разные имплантируемые устройства, в частности кардиостимуляторы. После установки прибор начинает окутываться соединительной тканью, она отодвигает электрод от зоны воздействия, и для стимуляции миокарда требуется увеличение мощности импульсов. Пациент едет к врачу и донастраивает стимулятор. То же самое происходит и с электростимуляцией блуждающего нерва: со временем приходится повышать мощность сигнала. Но вагусный нерв довольно большой, как и сам спиральный нейростимулятор. А вот аксоны и нервы в головном мозге очень маленькие, и проблема с обрастанием контактов соединительной тканью пока не решена. Контакты тоненькие, быстро инкапсулируются и перестают передавать сигнал.

«Вы стали бы имплантировать себе в мозг устройство, которое проработает пару месяцев? – риторически спрашивает Юрий. – Чтобы быть функциональным, оно должно проработать не менее 5–10 лет. Это не тот прибор, который можно вытащить и запихнуть обратно. Поэтому кардиостимулятор – да, нейростимулятор – да, а вот нейроинтерфейсы имплантировать пока рано, сначала нужно решить проблему с биосовместимостью. Ученые сейчас над этим работают».

Другая проблема – считывание сигнала. Аксоны очень маленькие, и сигнал передается не только электрическим импульсом, но и за счет определенных химических процессов, нейромедиаторов. Воздействовать на нерв электрическим разрядом еще получается, а считать обратный сигнал – не очень. Если посмотреть на нейрографию, можно увидеть огромный набор разнообразных сигналов, которые нужно как-то фильтровать. С таким объемом справится только искусственный интеллект.

«Это как раз тот путь, по которому идет Илон Маск, – поясняет Юрий. – Он имплантирует электроды в двигательную зону коры головного мозга, получает огромное количество сигналов, а дальше их фильтрует. И пытается выявить какой-то однообразный тип сигнала, который соответствует, например, ходьбе. Но повторюсь, главная проблема – в биосовместимости. И ее, конечно, когда-нибудь решат».

В октябре 2023 года «Моторика» инициировала создание Центра кибернетической медицины и нейропротезирования в партнерстве с Федеральным центром мозга и нейротехнологий (ФЦМН) ФМБА России. На его базе можно будет проводить лечение нейродегенеративных заболеваний, оперировать пациентов, предлагая им современные функциональные протезы рук и ног, развивать технологии нейропротезирования, выводить новые продукты медицинской кибернетики с доказанной ценностью и заниматься новыми разработками.