Мозг на ручном управлении: как российские ученые придумали экзокисть, которой можно управлять силой мысли
Надо просто захотеть
Принцип работы экзокисти прост: пациент садится напротив монитора, надевает экзокисть (перчатку с датчиками) на поврежденную руку, а на голову – шапочку, которая считывает энцефалограмму. Все, что ему нужно сделать – захотеть подвигать рукой. Захотеть – то есть представить образ, который ИИ считает как желание согнуть и разогнуть кисть. Самый популярный образ – кружка с чаем, которую нужно взять в руку.
Когда человек представляет, будто пытается взять кружку, – экзокисть сжимается вместе с рукой, давая понять мозгу, что теперь сигналом к движению руки будет этот образ. Так мозг привыкает к сигналу, и через несколько занятий пациент уже может сжимать и разжимать кисть без помощи робота.
«Изначально технология задумывалась, как разработка для реабилитации пациентов после инсульта или опухолей мозга, — рассказывает Денис Ребриков, проректор по научной работе РНИМУ им. Пирогова, доктор биологический наук. — То есть, когда у человека сохранная конечность (кисть), но потеряно управление ею. Чаще всего мы видим подобную проблему после инсульта, когда в результате поражения участка коры головного мозга человек теряет навыки, полученные в ходе детского развития».
Человеческий мозг очень четко сегментирован: в одной части лежит память, в другой – зрение, в третьей – речь, в четвертой – механизм управления кистями и стопами. Если какая-то часть повреждена, и информация оттуда пропала, то и навык пропал вместе с ней. Благодаря экзокисти есть шанс вернуть управление конечностями.
По сути, ученые записывают в мозг новую информацию: она помогает взрослому человеку восстановить механизм, которым он овладел еще в младенчестве.
«Мы уже точно знаем, что пластичность человеческого мозга очень высока даже во взрослом возрасте. Миф о том, что нервные клетки не восстанавливаются давно развеян. Но речь даже не про их восстановление, а про то, что клеток у нас очень много, природа выдала их нам с огромным запасом, – говорит Денис Ребриков. – Если вернуться к компьютерной аналогии, то у нас в голове диск на 100 терабайт, а информации туда надо записать всего на 1 терабайт. Вопрос только в том, где взять эту информацию. Ведь она же была изначально сгенерирована самим человеком, когда он был ребенком. Основная проблема в том, что взрослый человек теряет навык такого программирования. Оказалось, технологии на основе биологической обратной связи существенно ускоряют процесс создания в мозгу нейросетей, позволяющих заново научиться двигать рукой за счёт функционирования сохранной части мозга. Нам нужно было лишь подключить механизм, связывающий нейроны с движением конечностей. Так и была придумана экзокисть».
С интерфейсом в голове
В основе разработки лежит технология — интерфейс «мозг-компьютер» (ИМК). Известно, что клетки нашего мозга общаются между собой посредством электрических импульсов. Благодаря этому мы можем, приложив к поверхности кожи на голове человека любой металлический проводник, зарегистрировать слабые колебания электромагнитного поля — то, что стало называться электроэнцефалограммой, или ЭЭГ. Электроэнцефалография — очень удобный метод исследований, своего рода «окошко», через которое мы можем заглянуть внутрь мозга. ЭЭГ используется в медицине в качестве одного из инструментов диагностики болезней.
Но еще в 1958 году исследователи поняли, что человек может влиять на активность своего мозга и это фиксирует его ЭЭГ. Прорыв случайно совершил психолог Джо Камийя, который проводил исследования альфа-ритма мозга. Альфа-ритм — тот тип электрической активности мозга, который увеличивается, если человек расслаблен и спокоен, и уменьшается при состояниях тревоги и депрессии. Однажды Джо Камийя, устав сидеть в ожидании появления у его испытуемых альфа-ритма, установил в камере, где проводились эксперименты, маленькую зелёную лампочку, которая загоралась при появлении у человека альфа-ритма, и попросил: «Пожалуйста, сделайте так, чтобы лампочка всегда горела!»
И лампочка стала загораться всё чаще, по мере того как испытуемые учились ею управлять, используя сигналы мозга. Камийя совершил удивительное открытие: любой человек способен произвольно, только одним лишь желанием изменять свои ритмы электроэнцефалограммы.
Еще двадцать лет все считали эту способность забавной игрушкой, ну, максимум, одним из инструментов психотерапевтов – управляя своей ЭЭГ человек может достичь состояния расслабленности и спокойствия.
Но в конце 70-х годов ХХ века ученые поняли — если человек может усилием собственного мозга изменять ЭЭГ, то это можно использовать как сигналы. То есть как средство коммуникации. Так, собственно, и появился интерфейс мозг-компьютер.
Применение эта система нашла очень быстро. Есть категория параличей и других дегенеративных заболеваний нервной системы, когда человек не в состоянии двинуть ни одной мышцей своего тела, даже подмигнуть. По оценкам, таких больных в мире несколько сотен тысяч. Их мозг работает, но из-за беспомощности мышц сообщить ничего не может.
Для пациентов интерфейс мозг-компьютер становится настоящим спасением. Технология даёт им возможность контактировать с миром посредством электрических сигналов мозга.
Но есть и проблема – сигналы ЭЭГ слишком слабые для того, чтобы совершить настоящую научную революцию и подарить человечеству исполнение желаний одной лишь силой мысли или телепатическую связь.
«После того, как экзокисть показала отличные результаты, мы решили по тому же принципу создать полную экзоруку, — говорит Денис Ребриков. — Но оказалось, что если мы делаем несколько суставов в экзоскелете, то не существует таких алгоритмов интерпретации ЭЭГ, которые позволяли бы четко передавать конкретный сигнал на нужный мотор. В случае экзорук это семь разных моторов в скелете. То есть пациент должен придумать образ на каждую часть руки, а нейросеть безошибочно "раскидать" все эти сигналы по нужным моторам. К сожалению, снимаемых с мозга данных ЭЭГ для этого недостаточно и подобные алгоритмы пока неосуществимы. Слишком много образов, слишком много степеней свободы и при этом недостаточный объем данных ЭЭГ, чтобы разводить каждое желание пациента на каждый сустав руки. Думаю, эту задачу можно реализовать на инвазивных интерфейсах, но пока таких технологий, безопасных для применения при постинсультной реабилитации не разработано».
От инсультов к ДЦП
Когда экзокисть была зарегистрирована как медицинское изделие, а для вывода технологии на рынок появилась компания «Экзопласт», встал вопрос о тестировании инновации. Как же иначе узнать о том, насколько эффективна разработка в реальных условиях?
Так, компания «Экзопласт» попала в программу пилотного тестирования инновационных решений Агентства инноваций Москвы, которая помогает стартапам со всей России протестировать свои разработки на государственных и коммерческих площадках Москвы. На данных момент программа собрала самое большое количество площадок в мире — более 200.
Экзокисть несколько месяцев тестировали в Центре патологии речи и нейрореабилитации. После того, как технология показала свою высокую эффективность, Центр закупил разработку и внедрил в свою практическую работу. Об экзокисти узнали в медицинских кругах, и постепенно все большее количество реабилитационных центров России покупают технологию.
«Мы получили запрос от детского реабилитационного центра. Врачи хотели попробовать нашу технологию для реабилитации детей с церебральным параличом, — вспоминает Денис Ребриков. — В научных кругах существовали гипотезы о том, что биологическая обратная связь может давать хороший эффект для реабилитации детей с ДЦП, но такие разработки, как наша, нигде в мире не применяли. Можно сказать, что мы стали пионерами в этой области».
В отличие от людей, перенесших инсульт, у детей с ДЦП совсем другая проблема. Мозг у них полностью сохранен, но неправильно осуществляется связь между ним и мото-нейронами, поэтому мышцы двигаются не плавно, как у здоровых детей, а резко, отрывисто. Оказалось, что когда врач надевает ребенку на руку экзокисть, которая делает движение за него плавным и правильным, ребенок считывает тактильное ощущение, запоминает нужные паттерны и улучшение распространяются дальше, не только на кисть, но и на всю руку. У детей заметно улучшается мелкая моторика: они держат ложку, карандаш, лучше рисуют и так далее.
Разработчики снова пришли в программу пилотного тестирования, где им помогли провести пилотирование в Комплексном реабилитационном образовательном центре Москвы, где обучаются и проходят реабилитацию дети с тяжелыми формами ДЦП.
«Мы тестировали экзокисть почти два года, — рассказывает Виктория Николаенко, директор Комплексного реабилитационного образовательного центра. — И теперь точно знаем, что технология дает хорошие, а иногда просто отличные результаты. У нас есть история, когда ребенок после занятий с экзокистью смог научиться застегивать крупные пуговицы (для сложной формы ДЦП это огромное достижение). Родители рассказывают, что их дети начали передвигать предметы рукой, которой до этого почти не пользовались. У детей формируются новые нейронные связи, которые позволяют управлять мышцами руки, осуществляя захват и необходимое движение. А это — самое важное в реабилитации».
В ближайшее время, по словам Дениса Ребрикова, по принципу экзокисти, разработчики создадут экзостопу. Принцип работы робота будет таким же.
«Кроме этого у нас есть идея подключить к экзокисти VR-решения, чтобы пациент мог видеть свои руки в 3D, как они сжимаются, двигаются. Такой зрительный контакт в совокупности с тактильными ощущениями может заметно ускорить процесс реабилитации», – уверен Денис Ребриков.