подключение к мозгу человека
Нейроинтерфейсы: от фотобумаги до нейропыли
Всё взаимодействие с внешним миром человек делает при помощи мышц (речь, пальцы, жесты и пр). Нейроинтерфейс позволяет править взаимодействовать с миром без мышечной активности. Первый шаг к «мозгам в банке». И к взлому мозга.
В фильме «Чаппи» при помощи ЭЭГ-шлема робот копировал сознание (как свое, так и человеческое), а DARPA тем временем научила парализованную женщину не только есть шоколадки, но и управлять малозаметным истребителем-бомбардировщиком пятого поколения F-35. На симуляторе.
Посылать аудио и видео сигнал напрямую в мозг научились еще несколько десятилетий назад. Сейчас в секретных лабораториях МГУ учат людей не только набирать текст «мыслью»(13–15 символов в минуту), но и устанавливать скрытый интерфейс «подсознание-компьютер», а в свободной продаже есть устройства любительские от 10.000 руб (NeuroSky, есть в свободном доступе в Хакспейсе) и вполне профессиональные за 200.000 руб (BioRadio, я в в Питере тестил)
О том, как мы докатились до жизни такой (про историю ЭЭГ и нейроинтерфейсов), речь пойдет под катом. (А также про первые попытки использования нейроинтерфейсов для ИБ).
Пока писал этот пост, понял, что Ghost in the shell (вся серия, в т.ч. и манга) — самый наглядный и самый хард-сайнс-фикшн-прогноз ближайшего будущего. Там и взлом глазных протезов (в том числе и спуфинг визуального потока), и взлом кибермозга, и фальсификация воспоминаний.
За последние 10 лет просто лавина открытий — заглядывают в сны, разговаривают с людьми в коме, управляют мозгом мыши при помощи лазера, передают сигнал от мозга в мозг через интернет (1 пиксель), управляют пальцем другого человека при помощи мысли через интернет, создали канал коммуникации компьютер-подсознание, используют человеческий мозг в качестве периферийного сенсора для системы охраны периметра, создали экзоскелет с мозговым управлением для парализованного и пр. А с чего все начиналось?
1875: Ричард Катон открыл наличие электрических сигналов на поверхности мозга животных
1924: Гансу Бергеру удалось зафиксировать при помощи гальванометра на бумаге в виде кривой электрические сигналы от поверхности головы (а не непосредственно от самого мозга, как до него), генерируемые головным мозгом. 
1929: Ганс Бергер опубликовал первую работу с описанием экспериментов с ЭЭГ человека
Альфа-волны мозговой активности, имеющие частоту 8-12 Гц, получили название волн Бергера. Проводил исследования электрической активности мозга (прежде всего по параметрам амплитуды) в различных условиях: в спокойном состоянии, при решении задач, при наркозе. В своей книге Psyche (Jena, 1940) обратился к решению проблемы экстрасенсорного восприятия, рассматривая возможности электроволновой модели для объяснения этого феномена и указывая на её недостаточность.
1932: Немецкий инженер Jan Friedrich Toennies сконструировал первый аппарат для записи ЭЭГ, печатающий чернилами на обычной бумаге.(До этого была фотобумага)
1940-е: Уайлдер Пенфилд использовал информацию, полученную в ходе сотен операций на мозге, для создания функциональных карт коры (поверхности) мозга. Он обобщил результаты картографии основных моторных и сенсорных областей коры и впервые точно нанёс на карту корковые области, касающиеся речи. С помощью метода электрической стимуляции отдельных участков мозга Пенфилдом было установлено точное представительство в коре головного мозга различных мышц и органов тела человека. Схематично его изображают в виде «гомункулуса» (человечка), части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Поэтому пальцы рук, губы и язык с большим числом нервных окончаний изображаются крупнее, чем туловище и ноги.
1950-е: Хосе Мануэль Родригес Дельгадо, профессор физиологии Йельского университета, изобрел «Стимосивер» (Stimoceiver) — учёный разработал радиофицированные стимосиверы размером всего с пятидесятицентовую монету, которые можно было вживлять целиком и управлять по FM-радиоканалу 
Самый зрелищный эксперимент Дельгадо был проведён в 1963 г. на ранчо в провинции Кордова, Испания. Вживив стимосиверы в мозг нескольких «боевых» быков, он получил возможность управлять всеми их движениями с помощью портативного передатчика. Сохранилась потрясающая фотография, запечатлевшая, как Дельгадо заставил нападавшего быка остановиться как вкопанного всего в нескольких футах от себя, включив стимуляцию хвостатого ядра.
Однако, по мнению учёного, куда большего внимания заслуживает его эксперимент с самкой шимпанзе Пэдди. Животному был вживлён стимосивер, запрограммированный на получение отчётливых сигналов, называемых веретенами, которые спонтанно возникают в миндалине. Как только прибор улавливал веретено, он стимулировал область центрального серого вещества в мозге Пэдди, вызывая «аверсивную реакцию», т. е. болезненное или неприятное ощущение. Через два часа такого воздействия миндалина обезьяны выдавала на 50% меньше веретён, за шесть дней частота их возникновения упала на 99%. Нельзя сказать, что это пошло на пользу Пэдди: она стала «спокойнее, менее внимательной и не такой мотивированной при тестировании её поведения», — писал Дельгадо. Однако он предположил, что подобная техника «автоматизированного обучения» могла бы использоваться для подавления эпилептических припадков, приступов паники или при лечении других заболеваний, сопровождающихся возникновением характерных сигналов в мозге.
Самка макаки (крайняя слева на первой фотографии) быстро поняла, что с помощью рычага можно успокоить своего соседа по клетке — задиристого доминирующего самца. Рычаг посылал сигнал на стимосивер в его мозге, и гнев проходил. Крайний справа на левой фотографии — умиротворённый самец. На другой фотографии он снова стал агрессивен. В начале 60-х гг. Дельгадо провёл множество подобных исследований, изучая влияние стимуляции мозга на социальные взаимоотношения.
1960-e: Грей Уолтер (изобретатель робота-черепашки), который открыл дельта- и тета-ритмы мозга, подключил электроды к мозгу и заставил пошевелить пациента пальцем. Он же изобрел топоскоп.
1960: Элвуд Хеннеман и его коллеги обнаружили, что для «активации» двигательных нейронов наименьшего диаметра требуется более слабый электрический сигнал, чем для нейронов с большим диаметром. Чем больше нейронов завербовано мозгом для совершения действия, тем больше усилия может совершить мышца.
1960-е: Нил Мииллер в начале 60-х по следам опытов James Olds (1956) научил крыс подавать себе электрическое раздражение в центр удовольствия, изменяя параметры любой вегетативной функции (перистальтику, ритм сердца) и даже параметры ЭЭГ, которая «соединялась» со стимулятором. крыса, если ее до этого довести, способна управлять давлением крови в хвостовой артерии. Для этого надо всего лишь прикрепить ей на хвост датчик давления и давать пищу тогда, когда давление превысит некое значение. Голод — мощный стимул к тому, чтобы крысиный мозг научился управлять таким жизненным показателем, который ему не приходится контролировать в обычной жизни.
1967 психиатр Эдмонд Деван (Edmond M. Dewan) опубликовал в журнале Nature статью об эксперименте, участников которого просили сосредоточиться на тех или иных символах азбуки Морзе. Пока они это делали, электрическую активность их мозга регистрировала электроэнцефалограмма. В моменты концентрации на символах, электроэнцефалограмма менялась. После небольшой тренировки испытуемые смогли с помощью азбуки Морзе передавать аппаратуре целые слова. Было непонятно, какие именно нейроны и волны мозга были задействованы в ходе эксперимента, но это работало — человек впервые смог послать свою мысль машине и быть ею понят.
1968: Джо Камийя (Joe Kamiya) продемонстрировал, что человек может регулировать ритмы своего мозга — усиливать и ослаблять альфа-ритм. (Psychology Today, 1968, 1, 56-60.)
1968 Барри Стерман открыл SMR ритм в 12-15 Hz в сенсомоторной коре. Ритм ассоциируется со спокойствием в теле, готовности совершать моторные действия, с повышенной концентрацией внимания внешнему миру, и улучшения работы памяти.
Первые эксперименты проводились на кошках. Кошек тренировали увеличивать амплитуду волн мозга в диапазоне 12-15 Hz. Позднее, ученый получил заказ NASA на изучение влияния токсина ракетного окислителя (hydrazine) на животных. В группе из 50 кошек, десять тренировали амплитуду SMR. К его удивлению, кошки с увеличенным SMR-ом показали устойчивость к токсину. Кошки с обычным уровнем SMR умерли от воздействия вещества.
В 70-х Sterman предложил тренировать SMR для лечения эпилепсии. Его сотрудница Маргарет (Margarte Fairbanks), страдала от приступов эпилепсии, из-за чего не могла получить водительские права. Она решила опробовать тренировки раннее проводимые только на животных. Конечно не сразу, но симптомы болезни начали отступать. Когда курс был завершен. Она получила водительское удостоверение. В последствии другие ученые также получили положительные результаты.»
В это же время Эберхард Фетц (Eberhard Fetz) заставил обезьяну добывать себе пищу изменением активности одного-единственного нейрона коры мозга. Он связал активность первого попавшегося на электрод нейрона с подачей сока, и мозг обезьяны научился произвольно включать этот нейрон.
1972: Поступил в продажу Кохлеарный имплантат. Устройство, преобразующее звук в электрический сигнал, который подается в слуховой нерв, а мозг учится распознавать эти электрические сигналы как звук. Сейчас примерно 25 000 людей пользуются подобными имплантатами.
Кохлеарный имплантат представляет собой микрофон с передатчиком, который на радиочастотах передаёт звуковые сигналы на внутреннюю часть устройства, установленную в улитке уха, то есть на собственно имплантат. Звуковой сигнал при этом превращается в электрические импульсы, которые передаются на слуховые нейроны и отправляются дальше в кору мозга.
1973: Жак Видаль впервые употребил термин «brain-computer interface» в статье Toward Direct Brain-Computer Communication [pdf]. Так же ученый сформулировал два принципиальных вопроса:
1978: Первый имплантат, обеспечивающий видеоканал прямо в зрительную кору. (Видеокамера-компьютер-мозг)
Состоит из ч/б видеокамеры (292 х 512- пиксельная ПЗС-матрица, 69° угол зрения), ультразвукового дальномера, внутричерепного имплантата (68 платиновых электродов в визуальной коре) и компьютера (5 кг).
Вильям Добелль имплантировал зрительный протез 62 летнему пациенту. Имплантат производит черно-белое изображение «фосфенов» зрительной коры, аналогичных изображениям, проецируемым на лампочки стадионных табло.
При стимуляции, каждый электрод производит 1-4 близко расположенных фосфенов. Каждый фосфен в кластере воспринимает область диаметром карандаша, расположенном на расстоянии вытянутой руки. Рабочая группа доктора Добелля определила, что в таком случае фосфеновая карта пациента покрывает площадь размерами около 20 см в высоту и 7,5 см в ширину.
Система на пациенте, схема устройства и схема электродов
Система д-ра Добелля обеспечивает слабое околоцентральное туннельное зрение. Картинка, которую видит пациент — черно-белая с дефектом рассеянного поля (вызванного промежутками между фосфенами); восприятие глубины отсутствует.
Благодаря ультразвуковому дальномеру удалось передавать дополнительную инфу пациенту (модуляции яркости изображения, частоты мигания и особенностью отдельных фосфенов)
1988: «виртуальная клавиатура» Фарвела и Дончина. Благодаря это методу люди могут набирать текст, мысленно выбирая нужную букву на пересечении символьных строк и рядов. 
Talking off the top of your head: toward a mental prosthesis utilizing event-related brain potentials.
1998: Исследователь Филлип Кеннеди имплантировал первый BCI (человеко-компьютерный интерфейс) в пациента Джонни Рэя, который потерял подвижность в после инсульта. В результате имплантации Рэй научился двигать курсором.
2004: 25-летний Мэттью Нейгл С помощью вживлённого устройства он получил возможность управлять курсором на экране, читать электронную почту, играть в несложные видеоигры и даже что-то рисовать. Ещё он научился переключать каналы и громкость телевизора и шевелить электромеханической рукой
a) Матрица электродов на одноцентовой монете и вставляемый в череп разъем. b) Массив из ста электродов. с) Расположение массива. d) Первый пациент с установленным интерфейсом (Leigh R. Hochberg, Mijail D. Serruya, Gerhard M. Friehs, Jon A. Mukand, Maryam Saleh,Abraham H. Caplan, Almut Branner, David Chen, Richard D. Penn, John P. Donoghue, 2006)
2008: Первый коммерческий/потребительский нейроинтерфейс на рынке
Дальше понеслась (количество статей на тему интерфейс «мозг-компьютер») 
Интересно, что есть и методы аутентификации на на основе ЭКГ и мыслепаспорт на основе ЭЭГ
Сердце и мозг в качестве документов
ЭКГ
Bionym — канадская компания, разрабатывающую уникальную биометрическую систему аутентификации. Основным проектом компании является Nymi, браслет с датчиком сердечного ритма, предназначенный для трехфакторной аутентификации.
Статья The Verge на английском (2013)
ЭЭГ 
Мыслепаспорт
Пользователям будет достаточно подумать о какой-то вещи, и система автоматически пустит их в программу или сервис.
Мозговые волны уникальны для каждого человека, так что даже если кто-то знал ваш «passthought», то их сигнал все равно будет отличаться. После серии тестов, участники эксперимента завершили семь различных умственных задач с устройством. Простейшие действия, вроде сосредоточивания на дыхании или на какой-то мысли, на протяжении десяти секунд помогали легко осуществлять успешную аутентификацию в компьютерной системе. Тут главное найти задачу, которая бы не напрягала пользователей, чтобы они могли осуществлять ее по несколько раз в день. Например, считать предметы определенного цвета или напевать про себя песенку.
WIRED в 2009 озадачились этим вопросом The Next Hacking Frontier: Your Brain?
Канал утечки секретной информации — ваш мозг
On the Feasibility of Side-Channel Attacks with Brain-Computer Interfaces
Публикация
Статья в WIRED
Реакция Брюса Шнайера: «This is a new development in spyware.»
Немного про «мозговые отпечатки пальцев» в т.ч. для поимки террористов
Как можно развиваться сейчас?
NeuroSky 100$ (есть в московском Хакспейсе и в продаже в российских интернет-магазинах)
OpenBCI 200$ (заказать из Америки/Европы)
Bioradio 200-300 тыс. рублей (есть в Питере, иногда приезжает на выставки в Москве)
BioRadio
BioRadio — прибор, который можно использовать в нейро- науках/маркетинге/экономике/этике, usability-лабораториях, для управления роботами/машинками/пауками/вертолетами, для медицинских исследований и диагностики. По цене 3d-принтера. Размером с кассетный плеер.
Эта штуковина — полноценная психофизиологическая лаборатория, которая позволяет и управлять роборукой (как сигналами от ЭЭГ, так и миограммой), отслеживать сердечный ритм, плетизмограмму (изменение объема легких), сопротивление кожи и тд.
Основная фишка Биорадио в том, что оно помещается в моей ладони 
в то время как полный комплект МГУшного ЭЭГ, с которым я экспериментировал, помещается в багажник автомобиля.
Комплект датчиков 
Можно измерить то, как вы ерзаете на стуле, температуру в носу, кровяное давление и силу кисти.
ЭЭГ — чувствительный метод исследования (и подвержен помехам), он отражает малейшие изменения функции коры головного мозга и глубинных мозговых структур, обеспечивая миллисекундное временное разрешение, не доступное другим методам исследования мозговой активности, в частности ПЭТ и фМРТ. 
В Биорадио можно подключить до 8 каналов ЭЭГ с частотой дискретизации: 250-16000 Гц
Гибкая система визуализации и обработки данных 
Современный софт, с визуальной средой разработки и планирования экспериментов 
По умолчанию есть мегамного предустановок, например, по работе с роборукой 
Пишут научные работы на основе данных с Биорадио 
На этом видео лаборант управляет роботом-пауканом электросигналами от мышц
Ближайшее будущее
Вот уже на подходе 2 технологии — нейропыль и тату.
Нейропыль
Группа из Калифорнийского университета в Беркли предложила способ уменьшить размеры имплантируемых элементов до нескольких микрометров и буквально наполнить ими сосудистую оболочку головного мозга.
Устройство частицы «нейропыли»
Разработанные ими сверхминиатюрные электронные сенсоры состоят из выполненной по технологии CMOS микросхемы, пьезокристалла, электродов и изолирующей полимерной оболочки. Принцип их действия напоминает практику использования чипов радиочастотной идентификации (RFID), не требующих встроенного источника питания.
По замыслу авторов, частицы нейропыли свободно циркулируют в кровеносном русле. Практически этого трудно достичь из-за сложного состава крови, биологических механизмов её очистки и структуры эндотелия, но представим на минуту, что названные проблемы решены. Тогда одновременное число микросенсоров в сосудах головного мозга в любой момент времени может исчисляться тысячами.
Каждая из этих «умных частиц» сможет измерять электрическую активность ближайших нейронов. Во время первой фазы пьезоэлектрический кристалл преобразует ультразвуковые волны от промежуточного модуля в электрические сигналы и питает CMOS-схему. Во время второй он действует наоборот — вибрирует под влиянием потенциалов действия ближайшей группы нейронов.
Пьезоэлектрический эффект в частице «нейропыли»
По сравнению с RFID в предложенной схеме есть минимум два важных отличия. Кроме электромагнитных волн (внешний уровень), используется ультразвук (внутренний уровень), а усиление ответного сигнала микросенсоров, его преобразование и дальнейшую передачу обеспечивает промежуточный модуль.
Последний размещается под твердой мозговой оболочкой и действует как трансивер, позволяя избежать сильного затухания ультразвука и преодолеть экранирующее действие костей черепа.
Применительно к интерфейсам «мозг — компьютер» в первом приближении это эквивалентно повышению точности определения мысленной команды в десятки раз.
Подробнее на Компьютерре или в статье
Гибкие умные «тату»
Впервые учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего представили миру это изобретение в 2011 году.
Компоненты расположены на площади 1×2 сантиметра. Транзисторы, антенна, катушки, температурные датчики, фотодетекторы, сенсоры ЭЭГ, ЭКГ и ЭМГ. Соединительные контакты из кремния и арсенида галлия. 
Статья
Этот высокотехнологичный «бутерброд» имеет толщину в 40 микрон, а для крепежа используется подложка изготовленная из полиэстера — которую так же используют на переводных татуировках для детей.
В настоящее время тату — датчик способен непрерывно собирать данные в течение 6 часов и находится на теле до одних суток, при этом главной задачей исследователи сейчас является увеличить эти показатели. При этом, стоит отметить, что не смотря на уже готовое решение пока не объявляется дата выхода этого устройства для всеобщего использования.
А пока что нейроинтерфейсами занялся маркетинг и хакеры (на конгрессе 31C3 в 2014 был доклад о работе в направлении взлома BCI):
P.S. Наверное, в будущем к антивирусам будут относиться намного внимательнее 
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Роботизированный экзоскелет, управляемый нейроинтерфейсом.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В СМИ часто можно услышать о проектах, которые помогают парализованным людям взаимодействовать с окружающим миром. Но в этой статье мы поговорим о не менее интересной, но более обойдённой вниманием теме — о нейроинтерфейсах, помогающих людям с параличом конечностей восстанавливать самостоятельную двигательную активность.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Более 5 миллионов человек в мире страдают от разной формы параличей, основные причины которых — инсульт (34%) и повреждение спинного мозга (24%).
Инсульт в настоящее время является одной из основных причин инвалидизации населения. В России ежегодно регистрируется более 450 000 инсультов, и инвалидами становятся 70–80% выживших после инсульта, причём примерно 20–30% из них нуждаются в постоянном постороннем уходе.
За последние 70 лет количество больных с травмой спинного мозга возросло в 200 раз, и в России подобные повреждения ежегодно получают более 8 000 человек. Чаще всего это приводит к неспособности больного самостоятельно передвигаться и обеспечивать свои основные потребности. В результате использования инвалидной коляски уменьшается физическая активность, что провоцирует развитие ряда заболеваний: болезни сердца, остеопороз, пролежни. Поэтому идет активный поиск альтернативных методов восстановления способности двигаться. Одной из самых новых разработок в этом направлении является нейроинтерфейс.
Нейроинтерфейс (он же интерфейс «мозг-компьютер», ИМК) — система, позволяющая передавать сигналы мозга напрямую на внешнее устройство (это может быть инвалидная коляска, экзоскелет, компьютер и др.), фактически управлять «силой мысли» (рис. 1).
В «Биомолекуле» можно более подробно прочитать про историю развития нейрокомпьютерных технологий, а также про современный проект Neuralink Илона Маска [1], [2].
Рисунок 1. Схема работы ИМК.
адаптировано по материалам сайта Tritriwulansari
Методы регистрации сигналов мозга
Первое звено в схеме работы ИМК — это получение сигнала от мозга. Для этого используют следующие методы:
Сейчас в ИМК для получения информации об электрической активности мозга наиболее часто применяют ЭЭГ, так как она имеет высокое временное разрешение (электроды позволяют считывать немедленную активность отдельных участков мозга), относительно дешева, портативна и не представляет риска для пользователей. ИМК, основанные на ЭЭГ, состоят из набора сенсоров, улавливающих ЭЭГ-сигналы от различных областей мозга. Однако качество сигналов ЭЭГ ухудшается из-за того, что сигнал проходит через скальп, череп, а также множество других слоев, что создает шум.
Для уменьшения шума и улучшения качества записи прибегают к инвазивным способам — имплантированию внутрь черепа набора микроэлектродов [3]. Это подразумевает значительный риск для здоровья, из-за чего их редко задействуют в экспериментальной практике. В исследованиях ИМК существуют два инвазивных подхода: электрокортикография (ЭКоГ), при которой электроды располагаются на поверхности коры головного мозга, и интракортикальная запись нейронной активности — когда датчики имплантируют в кору (рис. 2). Такие решения в настоящее время применяют крайне редко, только в исключительных случаях: либо когда пациенту и так предстоит операция на мозге, либо когда это единственный шанс на возвращение возможности взаимодействовать с окружающим миром.
Рисунок 2. Схема расположения электродов для ЭЭГ, ЭКоГ и интракортикальных микроэлектродов.
Сенсомоторный ритм и моторная кора
Как мы уже говорили, цель ИМК — улавливание намерения пользователя посредством регистрации его мозговой активности. При регистрации мозговой активности с помощью ЭЭГ мы получаем графическое изображение сложного колебательного электрического процесса, в котором можно выделить ряд определённых ритмов, которые отличаются между собой по амплитуде и частоте: альфа, бета, дельта, мю и другие. Сейчас нас интересует мю-ритм, так как именно на его основе работают нейроинтерфейсы, используемые в нейрореабилитации движений.
Мю-ритм, или сенсомоторный ритм (СМР), имеет частоту 8–13 Гц и регистрируется над моторной областью коры головного мозга, расположенной в задней части прецентральной извилины (рис. 3). Подавление мю-ритма происходит тогда, когда человек совершает какое-либо движение или воображает выполнение движения — это называется десинхронизацией, связанной с событием (event-related desynchronization, ERD). Это происходит потому, что нейроны, которые до этого возбуждались синхронно, приобретают индивидуальные, не похожие друг на друга паттерны возбуждения. При этом человек может тренироваться в воображении движений, и со временем подавление мю-ритма при этом становится всё более выраженным, что используют при обучении управлению ИМК.
Для моторной коры характерна топическая организация. Это значит, что каждому участку коры соответствует определённый участок тела, который она контролирует. На рисунке 3 изображен гомункулус Пенфилда, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Как видно из рисунка, представительства верхних и нижних конечностей находятся достаточно далеко друг от друга, благодаря чему возможно раздельное распознавание нейроинтерфейсом воображения движений рук и ног.
Рисунок 3. Соматосенсорный и моторный гомункулус.
адаптировано по материалам сайта BioNinja
Обратите внимание, что представительство нижних конечностей в моторной коре значительно меньше представительства верхних. Это легко объяснимо наличием мелкой моторики рук: мозгу нужно контролировать множество отдельных мышц пальцев. У ног же, наоборот, мало мышц, которыми нужно управлять, и они более крупные. К тому же видно, что представительство нижних конечностей попадает в межполушарную щель, что затрудняет распознавание сигналов ЭЭГ, генерируемых при воображении движений разных групп мышц ног. Поэтому использование ИМК для ног вызывает определённые сложности, и большинство существующих научных работ по нейрореабилитации с помощью ИМК посвящено именно верхним конечностям, так как с их воображением проще работать. В лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, где работает автор, проводят исследования, направленные на изучение процессов реабилитации нижних конечностей, а также на возможность применения при этом чрескожной электростимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) и специальных практик, помогающих увеличить эффективность управления ИМК [4].
Как эффективно воображать движения
Известны следующие особенности воображения движений, которые повышают его эффективность:
Кроме того, нами было показано, что эффективность воображения движений зависит от личностных характеристик человека [15].
Для эксперимента было набрано 44 человека с ведущей правой рукой. Все они проходили тестирование по опроснику Кеттелла, который определяет 16 основных индивидуальных особенностей. Далее испытуемые управляли ИМК, основанном на воображении движений рук. Оказалось, что при воображении движений правой руки успешнее экспрессивные чувствительные экстраверты, а при воображении движений левой руки — практичные, сдержанные, скептичные и не очень общительные люди.
Мы предполагаем, что это можно объяснить разным уровнем содержания дофамина в правом и левом полушариях, а также разницей в способах кодирования информации о движениях [16]. Более подробно об этом можно прочитать в статье, опубликованной автором и коллегами в журнале «Доклады Академии наук» [15]. Знание личных психологических параметров пользователя ИМК может помочь в разработке индивидуальных тренингов и методов подготовки перед управлением нейроинтерфейсами.
Зачем же нужно воображение движений и работа с нейроинтерфейсами? Как это может помочь людям с нарушениями движений? Разберём эти вопросы на примере двух самых распространенных причин двигательных расстройств — инсульта и травмы спинного мозга.
Механизмы нейропластичности
При инсульте происходит острое нарушение кровоснабжения головного мозга (либо в результате закупоривания сосуда тромбом — ишемический инсульт, либо в результате кровоизлияния — геморрагический). Так как вместе с кровью к нейронам перестаёт поступать всё, что необходимо им для жизнедеятельности, участки мозга, где остановилось кровообращение, отмирают. И если это зоны, отвечающие за двигательную активность — например, моторная область коры, то у больного возникает гемипарез, снижение силы мышц одной стороны тела, или гемиплегия, полный паралич половины тела.
Восстановление двигательной функции осуществляется в основном за счет механизмов нейропластичности — способности мозга изменяться под действием опыта: устанавливать новые связи между нейронами, разрушать старые и ненужные, восстанавливать утраченные после повреждения. В данных процессах принимают участие не только нейроны, но и клетки нейроглии, а также сосудистая система [17]. Также изменяется активность синапсов и их количество [18]. Для активации данных механизмов в медицине применяется двигательная реабилитация. Однако у пациентов с параличом или высокой степенью пареза осуществление реальных движений невозможно, поэтому прибегают к тренировкам с ИМК, основанном на воображении движений. При представлении движений активируются те же зоны мозга, которые также участвуют в подготовке реального действия и в его совершении, вследствие чего такая нейрореабилитация становится реальной [19].
Благодаря таким реабилитационным тренировкам происходит перестройка нейронов вокруг повреждённой области: увеличивается объём серого вещества в двигательной зоне мозга, а соседние участки берут на себя утраченные функции [20]. Двигательные области неповреждённого полушария также участвуют в этом процессе.
Эффективность этих занятий может быть повышена за счёт использования биологической обратной связи — зрительной или тактильной — когда пациент видит на экране монитора, насколько хорошо он справляется с заданием (воображением движения конечности), или когда он чувствует вибрацию от специального прибора при успешном выполнении задачи.
Также существуют системы, дающие двигательную обратную связь: например, когда человек воображает движение правой ноги, приводя её в движение специальным механизмом. По такому принципу работает система «Биокин» (ООО «Косима»), разработанная под руководством Герасименко Ю.П. (Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН) (рис. 4) [21]. Она включает в себя обратную связь, функциональную электростимуляцию (ФЭС) и чрескожную электростимуляцию спинного мозга (ЧЭССМ), что делает её высокоэффективным инструментом в области нейрореабилитации нижних конечностей [22].
Рисунок 4. Биокин. Комплекс для нейрореабилитации нижних конечностей, основанный на применении ИМК с обратной связью, ФЭС (функциональной электростимуляции) и ЧЭССМ (чрескожной электростимуляции спинного мозга).
Такие системы позволяют замкнуть сенсомоторную петлю: от посылаемого мозгом эфферентного (исходящего) сигнала двигательной активности к афферентному (приходящему) сигналу о сенсорной обратной связи (рис. 5) [23].
Рисунок 5. Нейропластичность, вызываемая использованием ИМК, основанном на воображении движений. При повреждении моторных областей коры реальное движение становится невыполнимым, поэтому для активации процессов нейропластичности остаётся только возможность воображения движений. Использование ИМК со зрительной и тактильной обратной связью обеспечивает усиление этих процессов.
Данный механизм реабилитации может объяснить концепция пластичности Хебба: при одновременной активации двух связанных друг с другом нейронов усиливается их синаптическое взаимодействие, что приводит к более надёжному контакту между ними (рис. 6). Если предположить, что передача сигнала от моторной коры головного мозга к мышцам конечностей была нарушена из-за инсульта или травмы, то одновременная активация сенсорной и моторной коры может усиливать ранее неактивные контакты между нейронами за счет пластичности и таким образом вести к восстановлению двигательной функции конечностей [24].
Рисунок 6. Механизм пластичности Хебба. Усиление синаптического взаимодействия между двумя нейронами происходит из-за повторяющейся стимуляции постсинаптической клетки пресинаптической клеткой.
Рисунок 7. Образование новый нейронных связей в области повреждения спинного мозга (ПСМ).
При восстановлении двигательной функции после травмы спинного мозга задействованы те же механизмы нейропластичности. При таком повреждении часть нервных волокон, в том числе двигательных, оказывается прервана, что вызывает паралич конечностей, а часть сохраняет свою целостность. Благодаря этому при проведении нейрореабилитации существует возможность активации процессов нейропластичности: неповреждённые волокна образуют синаптические связи с двигательными нейронами (мотонейронами), которые, в свою очередь, передают сигнал мышцам (рис. 7) [25].
Для увеличения эффективности нейрореабилитации при помощи ИМК часто дополнительно используют функциональную электростимуляцию мышц (ФЭС). Она обеспечивает сокращение мышцы в тот момент, когда пользователь воображает движение с участием этой мышцы (рис. 8) [26]. Это приводит к усилению нейропластичности по механизму Хебба: происходит одновременная активация моторных областей головного мозга, передающих сигнал мотонейронам спинного мозга, и чувствительных нейронов, активируемых сокращающейся под влиянием ФЭС мышцей, что замыкает сенсомоторную петлю.
Рисунок 8. Система ИМК-ФЭС. При воображении движений сигнал из моторной коры обрабатывается компьютером (ПК) и передаётся к прибору функциональной электростимуляции (ФЭС), который вызывает сокращение соответствующей мышцы. Далее сигнал от мышцы передается в сенсорную кору, обеспечивая обратную связь.
Электростимуляция спинного мозга
В последние годы большую эффективность в нейрореабилитации после повреждения спинного мозга показала его электростимуляция (ЭССМ). Спинной мозг имеет два утолщения: в области шеи и поясницы, что соответствует месту выхода из них корешков двигательных нейронов верхних и нижних конечностей. В поясничном утолщении спинного мозга находятся специализированные нейронные сети, обеспечивающие автоматический процесс шагания (генераторы шагательных движений, ГШД). Иными словами, если наложить на твердую оболочку спинного мозга в месте поясничного утолщения электроды, подающие ток определенной амплитуды и частоты, можно вызвать непроизвольные шагательные движения даже у людей с параличом нижних конечностей [27]. Однако такой способ требует хирургического вмешательства, так что существует риск развития послеоперационных осложнений.
В настоящее время наиболее безопасной и безболезненной считается чрескожная электростимуляция спинного мозга (ЧЭССМ). На видео 1 (Edgerton Lab, University of California) можно видеть, как вызываются непроизвольные шагательные движения ног при облегченном положении больного, с подвешенными на рамах-качелях ногами [28].
Видео 1. Непроизвольная ходьба при чрескожной электростимуляции спинного мозга.
При использовании ЧЭССМ появляется вопрос правильного расположения стимулирующих электродов. Если при установке инвазивных электродов во время операции хорошо различимы сегменты и корешки спинного мозга, то при установке накожных электродов могут возникнуть затруднения с нахождением нужного участка. Данную задачу решают с помощью подачи одиночных импульсов на электрод и регистрации рефлекторных мышечных ответов — ведь каждому сегменту спинного мозга соответствуют строго определённые группы мышц.
Также существует проблема недостаточной амплитуды посылаемых импульсов — из-за дегенеративных процессов при повреждении спинного мозга требуется большая амплитуда стимуляции для получения нужного ответа. Однако это чревато получением ожогов. В нашей лаборатории было создано оптимальное устройство для неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга [29].
Кроме того, была разработана система, детектирующая фазы шагательного цикла в онлайн-режиме и стимулирующая спинной мозг согласно этим фазам [30]. Во время ходьбы в разные моменты напрягаются разные мышцы, и под определёнными углами сгибаются суставы, что можно регистрировать специальными приборами — акселерометрами и гироскопами. Обе ноги движутся скоординировано, и на основании положения одной ноги можно предсказать положение другой. Принцип работы системы следующий: пациенту с гемипарезом на здоровую ногу накладываются датчики движения, которые передают сигнал к прибору для ЧЭССМ. Он, в свою очередь, стимулирует в определённые моменты времени группы мотонейронов спинного мозга, отвечающих за движение мышц-сгибателей и разгибателей ноги, что способствует нормализации ходьбы и восстановлению движения пораженной конечности.
Успехи современной нейрореабилитации
Самым масштабным исследованием в области нейрореабилитации с использованием ИМК, основанного на воображении движений, является работа Donati с соавторами, опубликованная в Nature в 2016 году [31]. В этом исследовании приняли участие восемь человек с параличом нижних конечностей, вызванным повреждением спинного мозга. Для них была разработана специальная система реабилитации, включающая в себя шесть этапов с увеличивающейся сложностью, и с каждым пациентом было проведено около 255 (!) сессий в течение года.
Первый этап включал в себя глубокое погружение в среду виртуальной реальности, во время которого испытуемый управлял перемещением своего аватара (компьютерного персонажа), воображая движение нижних конечностей в положении сидя. Затем пациент делал то же самое, только в положении стоя, с опорой на специальный стол. Во время третьего этапа проходили тренировки на беговой дорожке: испытуемый ходил с использованием прибора, поддерживающего вес тела (Lokomat). На четвёртом этапе осуществлялось движение ног уже в воздухе, а не по беговой дорожке. На пятом этапе пациент тренировался на беговой дорожке с помощью роботизированной системы, поддерживающей конечности и контролируемой ИМК. И на заключительной стадии испытуемый ходил в экзоскелете, управляемом ИМК: экзоскелет делал шаг, когда человек представлял себе движение соответствующей ноги. Во время всех тренингов испытуемые получали тактильную обратную связь — вибрацию, которая подавалась на предплечье, когда виртуальная или роботизированная нога с той же стороны касалась земли. Схему эксперимента вы можете увидеть на рисунке 9, а сам процесс реабилитации — на видео 2.
Рисунок 9. Схема эксперимента, включающая в себя шесть этапов: 1 — ИМК + виртуальная реальность (ВР) в положении сидя; 2 — ИМК + ВР в положении стоя; 3 — ходьба по беговой дорожке с поддержанием веса тела; 4 — движение ног в воздухе; 5 — ходьба по беговой дорожке с помощью роботизированной системы, контролируемой ИМК; 6 — ходьба в экзоскелете, управляемом ИМК. Обозначения: ЭЭГ — электроэнцефалография; ЭМГ — электромиография, регистрирующая активность мышц; Такт. — тактильная обратная связь.
Видео 2. Процесс проведения эксперимента.
Через 12 месяцев тренировок по этой системе у всех восьми пациентов повысились показатели по тактильным ощущениям, а также восстановился свободный контроль ключевых мышц нижних конечностей. В результате был виден заметный прогресс в их способности ходить. Многие пациенты смогли ходить при помощи вспомогательных приборов. Кроме этого, у всех пациентов было отмечено значительное повышение эмоциональной стабильности и оценки качества жизни, а также снизился уровень депрессивности и увеличилась самооценка. Улучшились состояние кожи и функция пищеварительной системы, что связано, по-видимому, с нормализацией активности симпатической и парасимпатической систем. Дело в том, что вдоль позвоночника расположены узлы вегетативной нервной системы, которая регулирует работу внутренних органов. Они повреждаются при травмировании спинного мозга, что вызывает нарушение деятельности пищеварительной системы, которая в свою очередь влияет на состояние кожи посредством выделения сигнальных молекул, в том числе и провоспалительных [32], [33].
Неврологическое восстановление было связано с механизмами пластичности как на уровне спинного мозга, так и на уровне сенсомоторной коры. Кортикальная и спинномозговая пластичность изменяет нейронные связи в сохранившейся области спинного мозга при помощи моторных и сенсорных связей (рис. 10).
Рисунок 10. Пластичность спинного мозга (СМ) и коры головного мозга, осуществляющаяся с помощью моторных (красных) и сенсорных (синих) связей.
Заключение
Современная наука в области нейрореабилитации стремительно развивается и достигает удивительных результатов — в буквальном смысле ставит на ноги людей, ранее прикованных к кровати или инвалидной коляске. Появляются новые, более эффективные способы регистрации сигналов мозга; использование ИМК дополняется использованием обратной связи, ФЭС и ЧЭССМ; углубляются знания о механизмах нейропластичности; проводятся масштабные исследования в области разработки техник нейрореабилитации. Однако остается проблема доступности данных методов. Они очень дорогостоящие и доступны только в определённых клиниках; далеко не каждый может себе их позволить. В нашей лаборатории ведётся разработка нейрореабилитационных систем, которые просты в применении и по цене доступны для закупок в государственных бюджетных больницах.
Благодарности
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Бобровой Елене Вадимовне, заведующему лабораторией Герасименко Юрию Петровичу и безвременно покинувшему нас в прошлом году Александру Алексеевичу Фролову (01.11.1943–10.06.2020) — одному из ведущих российских исследователей в области ИМК.