21 МАРТА 2012
“КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА В НАСТОЯЩЕМ И БУДУЩЕМ”

Александр Алексеевич Фролов, заведующий лабораторией математической нейробиологии (РАН)

 

Как вы, вероятно, себе представляете, основная задача медицины совпадает с основной целью стратегического движения «2045» – это продолжение человеческой жизни при сохранении достаточно хорошего ее качества. Поэтому тема моего доклада на этом конгрессе не выглядит случайной.

 

Надо сказать, что современные технологии, информационные технологии или кибернетические технологии, все больше и больше внедряются в медицину, во все ее направления: профилактику, терапию, реабилитацию, протезирование. Я в основном буду говорить о проблеме протезирования.

 

На слайде приведена табличка, в которой указаны достижения, полученные при протезировании жизненно важных органов человека. Как видно, наиболее доступные органы для протезирования – почки, затем сердце, легкие. И хуже всего пока поддается протезированию печень. Имеются большие достижения в протезировании конечностей человека. В частности, ножные протезы, которые сделаны фирмой Ossur южноафриканскому спортсмену Оскару Писториусу, помогли превзойти многих здоровых спортсменов в беге. И преимущества этих протезов по сравнению с реальными конечностями оказались настолько велики, что в 2008 году этому спортсмену было запрещено принимать участие в соревнованиях со здоровыми спортсменами, хотя потом этот запрет был снят. И, может быть, в 2012 году мы увидим его как чемпиона Олимпийских игр в Лондоне.

 

Также совершенствуются протезы рук. В частности, уже несколько компаний выпускают протезы кисти человека, которые по степени подвижности сопоставимы или эквивалентны кисти руки человека. Если такую кисть одеть в некоторую кожаную перчатку... На слайде вы видите пациентку, которая пользуется протезом компании Touch Bionics. Ее левая рука практически неотличима от правой.

 

Также совершенствуются способы управления протезами рук с помощью различных интерфейсов «человек – машина». В частности, в качестве таких интерфейсов часто используются сигналы, которые отводятся от активных мышц, так называемые миограммы. Сейчас вы, наверное, в холле видели презентацию, которую делает фирма «Нейроботикс». Ребята показывают, как протез кисти руки человека управляется с помощью активации мышц руки человека. Надо сказать, что рассматриваются идеи использования миограмм не только от сохранившихся мышц на протезированной руке. Управление рукой может осуществляться фактически активацией любых мышц человека. В частности, рассматривается возможность управления движением пальцев протезированной руки мышцами лица. Как известно, мимика лица довольно богата, лицо снабжено большим количеством мышц. И эту мимику можно использовать и для управления протезами рук.

 

Вот одна из работ, которая была опубликована уже достаточно давно. Надо сказать, что это запатентовано фирмой IBM, вот это управление человеко-машинным интерфейсом с помощью миограмм. Вот такой интерфейс направлен на то, чтобы управлять курсором компьютера. Движение бровей вверх и вниз соответствовало движению курсора вверх и вниз. Движение челюсти влево и вправо соответствовало движению курсора влево и вправо. Сжатие челюстей соответствовало левому клику. В этом случае человек в состоянии с помощью напряжения мышц лица фактически управлять курсором, минуя мышь. Это, на самом деле, совершенно надежный и доступный уже сейчас способ управления курсором.

 

Надо сказать, это могут быть не только мышцы лица, но и, например, окулограмма, которая соответствует отведению электрической активности от поверхности головы за счет движения глаз и моргания. Окулограмма является очень надежным способом управления курсором мыши. Естественно, репертуар движений может быть существенно увеличен, если эти две методики объединятся.

 

Еще больше репертуар команд для управления движением может быть увеличен, если для этого использовать сигналы, которые отводятся непосредственно от мозга, т.е. минуя всякую двигательную активность. Здесь мы подходим к идее интерфейса «мозг – компьютер». Это, собственно говоря, и есть устройство, которое отводит электродами сигналы непосредственно изнутри головы или от ее поверхности. Эти сигналы передаются в компьютер. В компьютере по анализу паттерна электрической активности определяется намерение человека. Это намерение передается внешнему устройству в виде некоторой команды. Эта команда может идти, скажем, опять на курсор компьютера, который движется к необходимой иконке для того, чтобы осуществилось какое-то намерение человека. Либо он может непосредственно управлять инвалидной коляской либо протезом руки.

 

Естественно, что гораздо большее разрешение имеют интерфейсы, которые отводят сигналы не с поверхности головы, а с поверхности мозга, так называемые инвазивные интерфейсы «мозг – компьютер». Для отведения сигналов непосредственно от мозга часто используется матрица из многих электродов. Эта матрица имеет размер примерно 3x3 мм. В ней 100 микроэлектродов. И она отводит активность примерно от нескольких сотен нейронов, потому что каждый электрод обычно отводит активность от нескольких нейронов. Вот такие матрицы могут вживляться в мозг. Естественно, начальные эксперименты были сделаны на животных.

 

Это тоже достаточно давние работы группы Николелиса, который является одним из пионеров и одним из наиболее авторитетных исследователей в области интерфейсов «мозг – компьютер», испытания которых были проведены на обезьянах. В этих экспериментах обезьяна вначале учится управлять джойстиком с тем, чтобы управляя с помощью джойстика курсором компьютера, достичь некоторой цели, которая появляется в случайном месте экрана. Когда курсор достигает цели, обезьяна получает подкрепление, обычно в виде сока. Когда обезьяна научается этой поведенческой задаче, совмещать курсор компьютера для достижения цели, одновременно при этом отводится электрическая активность, часто от первичных моторных зон коры. Этот сигнал совмещается с направлением движением компьютера так, что классификатор компьютера по этому сигналу научается распознавать, в каком направлении обезьяна с помощью джойстика предполагает двигать этот курсор.

 

Когда классификатор обучен достаточно хорошо и можно осуществить надежную классификацию намерения обезьяны двигать этот курсор в каком-то направлении, джойстик отсоединяется от этого курсора. И хотя обезьяна продолжает двигать этим джойстиком, реально управление курсором осуществляется с помощью сигналов мозга. Когда и эта стадия успешно преодолевается обезьяной, уже фиксируют руку обезьяны. И прямое управление курсором происходит уже только за счет ее умственных усилий.

 

Естественно, что можно управлять так же не курсором компьютера, а, скажем, схватом манипулятора. Но в этом случае управление несколько сложнее, потому что это фактически трехмерное управление джойстиком. Можно обучить обезьяну управлять еще и схватом этого джойстика. И тогда получается четырехмерное управление. Три координаты – это положение схвата в пространстве, и одна координата – это расстояние между пальцами схвата.

 

Здесь пример одной из относительно недавних работ, в которых обезьяна с помощью такого манипулятора, с помощью искусственной руки уже выполняла некоторую поведенческую задачу. Она с помощью такой руки могла схватить пищу, которая появлялась в произвольной точке пространства, и поднести ее ко рту. Здесь видно, как фиксируются руки обезьяны при выполнении этой задачи.

 

Когда были получены достаточно надежные результаты в опытах на обезьянах, эту технологию стали применять и для лечения больных людей. В 2004 году была сделана первая операция, в которой полностью обездвиженному пациенту вживили в мозг нейрочип. И этот нейрочип позволил ему мысленно управлять искусственной рукой. Надо сказать, что в настоящее время сделано уже более 20 таких операций. И все они были успешными. Один из пациентов даже несколько лет исполнял свои профессиональные обязанности научного сотрудника, полностью обездвиженный, пользуясь для работы только вот этим интерфейсом «мозг – компьютер».

 

Но несмотря на успех этих операций, они тем не менее не являются стандартными и общепринятыми и все еще находятся в стадии экспериментальной проверки. Во многом это связано с теми рисками, которые дают такие операции. Во-первых, это риск заражения через трепанационное отверстие. Поэтому необходимо усовершенствовать технологию так, чтобы избежать наличия такого трепанационного отверстия. Второй риск связан с тем, что электроды, которые введены в ткань мозга, зарастают соединительной тканью, и срок их работы ограничен, потому что они теряют электрический контакт с тканью мозга. Надо сказать, что обе эти проблемы активно решаются. Обсуждаются возможности использования для получения сигналов с мозга радиосистем, которые позволяют избежать наличия таких отверстий. Также совершенствуются различные технологии продления жизни электродов в тканях мозга. И сейчас уже такие электроды могут осуществлять хороший электрический контакт с мозгом более года.

 

То, о чем я говорю, связано с интерфейсом «мозг – компьютер», когда сигналы берутся из мозга и управляют внешними системами. Можно использовать такой же интерфейс, но в обратном направлении – сигналы от компьютера передаются мозгу. Это так называемый интерфейс «компьютер – мозг». Пример использования таких интерфейсов для протезирования сенсорных систем показан на этом слайде. Это кохлеарный имплантат, когда чип вживляется в улитку уха, если волосковые клетки, передающие информацию о звуке слуховому нерву, деградируют.

 

На этом слайде показан микрофон, который воспринимает звук и преобразует его в радиосигнал. Этот радиосигнал передается в имплантат, который передает звук непосредственно слуховому нерву. Надо сказать, что за 30 лет таких операций уже сделано более 200 тысяч. Это совершенно стандартная операция по восстановлению слуха у больных.

 

Точно так же рассматриваются возможности восстановления зрения. Вот одна из таких систем, предложенная братьями Чоу. Такой имплант протезирует поврежденную сетчатку глаза и используется при нарушении зрительных рецепторов. То есть сама сетчатка остается интактной, она не разрушена, но зрительные рецепторы не могут давать сигнал сохранившимся нервным клеткам сетчатки. И тогда в сетчатку вживляется вот такая небольшая матрица из нескольких тысяч фотодиодов. Размер этой матрицы показан на слайде в сравнении с монеткой в один цент. Сделано уже несколько таких операций. Операция не дает никаких вредных побочных эффектов, но пока тоже не принята как стандартная медицинская процедура, несмотря, на ее эффективность.

 

Кроме того, рассматриваются возможности протезирования, скажем так, промежуточных путей. Например, можно протезировать зрительный нерв и непосредственно передавать сигнал первичной зрительной коре, которая находится в затылочной области человека. Идея такого интерфейса заключается в том, что маленькая телекамера помещается в очки пациенту, сигнал от нее преобразуется компьютером, в таком преобразованном виде он подается непосредственно на первичную зрительную кору человека. Сразу после операции человек ощущает эту стимуляцию как хаотический набор случайных искр – фосфенов – и никак не ассоциирует их с изменениями в его зрительном поле. Но по мере использования этого имплантата он начинает ощущать эту стимуляцию как сигнал, который приходит к нему из внешнего мира.

 

На этом слайде показан один из пациентов доктора Добеля, который был пионером таких операций. К сожалению, в 2004 году он умер. Но он успел сделать такие имплантаты примерно 20 пациентам. На это слайде показан один из его пациентов во время телеинтервью. До операции он был слепым, а после – смог водить машину.

 

Итак, это два типа интерфейсов: интерфейс «мозг – компьютер», который снимает сигналы об активности мозга и передает их на исполнительные органы, и интерфейсы «компьютер – мозг», которые, наоборот, передают сигналы от внешнего мира непосредственно мозгу. Естественно, эти две технологии можно совместить, т.е. замкнуть систему. И тогда получится интерфейс «мозг – компьютер – мозг».

 

На этом слайде показан возможный вариант тестирования протеза руки. Предполагается, что завязывание шнурков является достаточно хорошим тестом на проверку двигательной способности человека, потому что он требует очень хорошей бимануальной координации. Более того, эту операцию невозможно провести только под зрительным контролем. Руку необходимо очувствить.

 

В работе Лебедева и Николелиса 2006 года предполагалось в качестве далекой перспективы, что протез должен управляться по интерфейсу «мозг – компьютер», принимая сигналы о намерении совершить какое-то движение непосредственно из мозга. А информация о состоянии мышц руки, которая производит это движение, тактильная, кинестетическая или, как говорят, проприоцептивная информация, будет передаваться пациенту непосредственно в мозг.

 

Тогда это рассматривалось как далекая перспектива. Но буквально в прошлом году эти же авторы опубликовали работу, в которой смогли такое очувствление совершить. В этих экспериментах (так же, как в экспериментах, о которых я говорил раньше) обезьяна управляла движением курсора. В данном случае курсор сделан в виде лапы обезьяны. Она управляла движением этого курсора по экрану. Цели, которые располагались на экране, давали руке обезьяны разные тактильные ощущения виртуальной руки. Ощущение подкреплялось только в случае, когда обезьяна в течение длительного времени удерживала эту виртуальную руку на нужной цели. Сигнал о том, какую цель она удерживает, передавался непосредственно обезьяне в мозг.

 

Если посмотреть на структуру мозга, то М-1 – это моторные зоны, откуда брался сигнал для движения виртуальной лапы, а С-1 – это сенсомоторная область, в которой находится зона тактильной чувствительности лапы обезьяны. Система замыкалась. Надо согласиться с авторами, что фактически была воспроизведена идея «Аватара»: когда мысленно обезьяна двигает виртуальную руку (это может быть и реальный манипулятор), она получает тактильную информацию от этой виртуальной руки непосредственно в мозг. То есть она ощущает свою виртуальную руку.

 

В принципе, такие же интерфейсы могут быть использованы и для протезирования непосредственно отделов мозга. Одна из таких структур, которые рассматриваются готовыми для протезирования, – это гиппокамп, имеющий отношение к краткосрочной памяти. Важно то, что речь уже идет не только о протезировании моторных и сенсорных функций. Речь идет о протезировании когнитивных функций. На слайде показана идея шунтировать поврежденный гиппокамп электронным устройством. Сигналы принимают с входа гиппокампа. Они не могут проходить непосредственно на выход гиппокампа, потому что эта связь нарушена за счет какой-либо болезни. Так вот, этот вход поступает на электронное устройство, имитируется выход, который должен быть при нормальном гиппокампе, и он подается на выходную часть гиппокампа.

 

В прошлом году такая операция была сделана профессором Бергером на крысе, которая выполняла задачу с так называемым отставленным выбором, требующую включения памяти. В этой задаче отсроченного выбора крысе подается одна из двух педалей, крыса ее нажимает, после чего педаль убирается. Через некоторое время опять выдвигаются две педали. И для того чтобы получить лакомство, крыса должна нажать на педаль, противоположную той, которую она нажимала до этого. Известно, что эта задача с отсроченным выбором не может выполняться при поврежденном гиппокампе, потому что крыса должна помнить, какую педаль она нажала вначале. Когда ей предъявляются две педали, она должна выбрать одну из них.

 

В данном случае шунт был очень простой. В этих экспериментах активность так называемого поля СА3, которое является входом в гиппокамп, отводили от так называемого поля СА1, которое является выходом из гиппокампа, всего восемью электродами. И крыса научалась этой задаче. Затем с помощью шунта выучивали преобразование сигнала, которое должно идти от поля СА3 к полю СА1, чтобы задача успешно выполнялась, и химическим путем блокировали связь от поля СА3 к полю СА1. Крыса переставала выполнять задачу. Но когда шунт включали, крыса опять начинала выполнять задачу. Это впечатляющий пример протезирования центральных структур мозга.

 

В заключение моего выступления я хочу сказать, что сейчас имеется очень много оснований для утверждения, что такие системы будут очень и очень активно развиваться, и что со временем протезирование всех структур тела, включая мозг, станет очень эффективным, я бы сказал, кардинальным способом продления жизни человека.

 

Надо сказать, что производство таких протезов является не только очень благородным, но и довольно прибыльным бизнесом. Скажем, кисть руки, о которой я говорил, стоит $200 тыс. Я не знаю, сколько стоят затраты на ее производство, но я думаю, что несравнимо меньше, если бы она производилась промышленным путем. Поэтому, хотя и кажется, что эти проекты направлены на будущее, но будущее уже близко. И уже сейчас отдельные аспекты этих работ являются предметом для выгодного бизнеса. Я также хочу сказать, что если заняться действительно серьезным промышленным развитием этих протезов, то, как уже говорили многие авторы до меня, было бы желательным привлечение еще и финансовых возможностей государства.

 

Спасибо за внимание.


Новости
07.06.2012
В Москве в рамках Конгресса Global Future 2045, который состоялся в феврале 2012 года, прошел круглый стол «Диалог конфессий».
21.02.2012
Конгресс “Глобальное будущее 2045” после трех дней пленарных заседаний завершился 20 февраля круглым столом, посвященным формированию…
20.02.2012
В дни проведения международного конгресса Global Future 2045 в Москве, Министерство обороны США и Агентство передовых оборонных…
20.02.2012
Александр Болонкин, астрофизик, старший научный сотрудник NASA, обратился к руководству и участникам международного конгресса «Глобальное…
19.02.2012
Манифест Барри Родрига на конгрессе GF2045: "Будущее – это измерение, к которому стремятся все формы жизни".