Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

и функциональные способы помочь людям, у которых проблемы с речью. Если пациент может двигать пальцем, он может печатать сообщения азбукой Морзе. Если он способен только двигать глазами, то можно использовать программное обеспечение для отслеживания взгляда на смартфоне. Эти устройства очень дёшевы, гораздо дешевле имплантата за 100 000$.

Нейропротезирование

До сих пор мы говорили о том, как подключают мозг к компьютеру, эту технологию называют – НКИ.

На практике нейропротез не обязательно подключать к мозгу, он может быть подсоединён к любой части нервной системы, например, к периферическим нервам.

Существуют уже нейропротезы для восстановления зрения, например, имплантаты сетчатки глаза. Но наиболее часто в современной медицине применяется кохлеарный нейроимплантат – им пользуются уже тысячи людей по всему миру.

Кохлеарный аппарат – медицинский прибор, протез, позволяющий компенсировать потерю слуха. Действие основано на имплантации в тело пациента устройства, способного преобразовывать электрические сигналы, поступающие с внешнего микрофона, в импульсы, понятные нервной системе.

Если у человека с полной потерей слуха сохранилась хотя бы часть слухового нерва, то можно попытаться, минуя повреждённые структуры, стимулировать его напрямую. Именно это и делают кохлеарные имплантаты.

Электроды вводят в одну из заполненных жидкостью камер улитки уха хирургическим путём, располагают их достаточно близко к волокнам слухового нерва расстоянии, обеспечивающем их внешнее стимулирование.

Целевая реиннервация

Серьёзную конкуренцию НКИ по части протезирования частей тела может составить новая технология – целевая мышечная реиннервация.

Считается, что нервная клетка в процессе своей эволюции утратила способность к делению, однако, при определённых условиях нейроны, потерявшие часть аксона, не только не погибают, но даже способны к регенерации1. Этим свойством нервной ткани нельзя было не воспользоваться. Что и было сделано американскими учёными Тоддом Куикеном и Грегори Думаняном в 2005 году.

Как выяснилось, при ампутации конечности остатки двигательных нервов можно хирургическим путём перенести на маленький участок какой-нибудь крупной мышцы, например, к большой грудной, если речь идёт об ампутации руки (эта процедура и называется реиннервацией). В результате при попытке пошевелить отсутствующим пальцем, сигнал от мозга перенаправляется к участку грудной мышцы. Следующая задача – обнаружить этот сигнал и передать его на роботизированный протез. Тут на помощь приходит электромиография – технология, позволяющая регистрировать разность электрических потенциалов, возникающих на поверхности кожи при сокращении мышцы. Электроды улавливают активность реиннервированного участка, после чего сигнал передаётся к нужной части протеза.

Теоретически, для более точной локализации сигналов от целевой мышцы, можно использовать имплантируемые в неё электроды.

В 2003 году первым пациентом, получившим протез работающий на основе целевой реиннервация, оказался Джесси Салливан, инженер-энергетик, потерявший обе руки в результате электрических ожогов. После того, как нервы рук были перенаправлены на его грудные мышцы, он научился управлять протезными руками.

С тех пор как Салливан стал первым пациентом, ещё три человека– ампутанта рискнули испытать на себе новую технологию, и они тоже довольны результатом.

Сегодня такая операция остаётся редкой и очень дорогой. Но у этого направления есть перспективы.

PS. Идея конечно хороша, но почему-то, пока я собирал материал на эту тему меня преследовало воспоминание о «втором опыте Гальвани». Напомню: стеклянным крючком Гальвани набрасывал конец седалищного нерва, на мышцу конечности лягушки; при этом наблюдалось её сокращение.

И ещё одно замечание – если после ампутации возникают фантомные ощущения, значит где-то должны существовать и невостребованные управляющие нервные импульсы.

1 Последнее утверждение весьма спорно. Но аксоны, лишенные окончаний, не утрачивают способности к передаче нервных импульсов.

Неинвазивные НКИ

По этическим соображениям установка инвазивных имплантатов в мозг человека не даёт широкого простора для исследователей, а экспериментировать над собственным мозгом подобно Филу Кеннеди готовы не многие.

Поэтому на практике большинство исследователей отдаёт предпочтение конструированию неинвазивных1 нейрокомпьютерных интерфейсов, основанных на анализе данных электроэнцефалографии (ЭЭГ).

По типу используемых проявлений ЭЭГ они делятся на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные НКИ основаны на анализе паттернов активности, возникающих в ответ на внешние стимулы, эндогенные – на анализе паттернов, возникающих произвольно в соответствии с намерениями и мысленными образами испытуемых.

Экзогенные НКИ используют естественные реакции мозга на внешние стимулы и поэтому не требуют интенсивной тренировки. К ним относятся НКИ, основанные на анализе компонента P300 2, и НКИ, основанные на анализе так называемых устойчивых зрительных вызванных потенциалов.

P300 – это эндогенный компонент связанного с событием потенциала (ERP), который имеет положительное отклонение, и возникает при записи электроэнцефалограммы спустя примерно 300 мс после получения редкого стимула, не важно, зрительного, слухового или соматосенсорного, на фоне частых незначимых стимулов. P300 бессознательно активируется каждый раз, когда мозг испытуемого обнаруживает целевой стимул (редкое событие), имеет длительность около 300 – 400 мс и положительную амплитуду 5 – 15 мкВ. Максимальное значение P300 наблюдается под центральным (Pz) электродом. P300 зависит от сосредоточенности испытуемого, но не от физических параметров стимула.

Наиболее известный НКИ, основанный на использовании P300 – это почти традиционное устройство для печатания символов. В этом НКИ на экран монитора в виде матрицы размерностью 6×6 выводятся буквы и некоторые другие символы и команды. Каждые 125 мс высвечивается один ряд или одна колонка матрицы, выбранные в случайном порядке. Испытуемому даётся инструкция считать, сколько раз высвечивались ряд и колонка, содержащие задуманный символ. Эффект P300 появляется только тогда, когда предъявляемый испытуемому ряд или колонка содержат этот символ.

После предъявления всех 12 рядов и колонок суммировались вызванные реакции на предъявление каждой колонки и каждого ряда. Всего таких сумм получается 36, по числу различных комбинаций рядов и колонок. Наибольшая сумма соответствует комбинации того ряда и той колонки, которые оба содержали задуманный символ.

Несмотря на то, что первый подобный НКИ был предложен ещё в 1988 году, этот тип интерфейса продолжает активно совершенствоваться в направлении повышения его информационной производительности, которая достигает 10 бит3 в минуту. (Для сравнения, радиотелеграфист средней квалификации работает в диапазоне скоростей 60—100 букв или цифр в минуту.)

В других экзогенных НКИ, основанных на анализе устойчивых зрительных вызванных потенциалов, испытуемому предъявляется экран компьютера, на котором изображено несколько объектов, которые высвечиваются с различными частотами, превышающими 6 Гц. Испытуемый может произвольно фокусировать внимание на одном из объектов. Тот объект, который выбрал испытуемый, может быть идентифицирован по соответствующей ему частоте устойчивых вызванных потенциалов. НКИ такого типа имеют информационную производительность – до 12 бит в минуту.

Эндогенные НКИ основаны на анализе медленных корковых потенциалов (МКП) и сенсомоторных ритмов. Негативный сдвиг МКП ассоциируется с подготовкой к движению и другими функциями коры, требующими увеличения её активности.

Ещё в начале 80-х было замечено, что игра в мяч, наблюдение за игроками и воображение игры вызывают активность одинаковых участков коры мозга. А человек способен произвольно управлять МКП. Эта способность легла в основу НКИ, названного «устройством передачи мысли» и описанному в 1999 году. МКП выделялся с помощью фильтрации и вычитания электроокулограммы4 и показывался испытуемому на экране монитора в виде временно́й развёртки.

Тренировки занимали от нескольких недель до месяцев. Когда число правильных сдвигов МКП достигало 75%, НКИ соединялся с генератором букв. Выбранная буква могла быть указана с помощью последовательности бинарных выборов. Например, вначале можно было указать первую или вторую половину алфавита, затем половину от этой половины и т. д., пока не будет указана сама буква. При таком алгоритме на каждую букву требуется 5 последовательных команд.

Можно, естественно, усовершенствовать алгоритм, учитывая при таком выборе частоту встречаемости букв в речи, как в алгоритме Шеннона – Фано. Однако в любом случае производительность составляла всего от 2 до 36 слов в час.

Гораздо большую производительность показали НКИ, основанные на анализе сенсомоторных ритмов. В них используется хорошо известные реакции десинхронизации и синхронизации в ответ на воображение движений. Движение, воображение движения или наблюдение за движением некоторого исполнительного о́ргана обычно сопровождается уменьшением мю-ритма в корковых представительствах соответствующего о́ргана. Такое уменьшение