Система «мозг-компьютер», реабилитация после инсульта и Илон Маск: как развивается нейронаука в РТ

Профессор Александр Храмов переехал из Саратова в Татарстан, где сейчас возглавляет Лабораторию нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис. О исследованиях мозга на территории Татарстана, сотрудничестве с мировыми исследователями читайте в интервью корреспонденту «Татар-информ».

Почему вы согласились работать в Татарстане?

Здесь условия работы, жизни и интерес руководства на более высоком уровне. Руководство университета и руководство самой республики очень приятное, и я надеюсь, что мы тоже приносим пользу.

Расскажите о вашей лаборатории и исследованиях, которые вы здесь проводите.

Лаборатория открыта на базе Центра технологий компонентов робототехники и мехатроники российского ИТ-вуза, куда была перевезена часть оборудования из саратовской лаборатории. Здесь мы занимаемся вопросами исследования головного мозга человека с точки зрения того, как мозг обрабатывает информацию, принимает решения и как управляет человеческим телом.

Проект, который активно развивается в лаборатории, включает в себя изучение того, как человек поддерживает равновесие. Он включает оборудование под названием «баланс-платформа» и большое количество датчиков, которые регистрируют активность головного мозга, мышечную активность, оценивают распределение центров масс человека и его позу, которую снимают с помощью сенсорного контроллера — кинекта.

Человек, весь обвешанный датчиками, должен балансировать в течение определенного времени и по определенному сценарию в ходе эксперимента.

Какие вопросы вы сейчас пытаетесь решить?

Ученых интересуют три главных вопроса: Как происходит процесс обучения двигательной активности человека? Как мозг управляет своим телом, и прежде всего интересует моторная и сенсомоторная активность головного мозга. Третий вопрос включает социальную значимость — вопрос реабилитации на разных уровнях людей, получивших травмы головного мозга, переживших инсульт, и пожилых людей, у которых сосуды изношены.

Часто подобные травмы и заболевания сопровождаются нарушениями двигательной активности, в том числе парезами (ослабления, прим. Т-и) конечностей и нормальной поддержки равновесия. Изучаются здесь и проблемы, связанные с нарушением кровоснабжения головного мозга, которые чаще всего возникают из-за неправильного образа жизни — алкоголизма, наркомании и нарушения режима питания.

Мы также исследуем людей пожилого возраста, потому что к 70-80 годам сосуды изнашиваются и поддержание равновесия становится для них сложной задачей.

Например, сложная ситуация для таких людей может возникнуть в транспорте, когда человек среднего возраста сможет удержаться во время движения и резких остановок, а пожилой может упасть и повредить себе что-нибудь. Избежать таких ситуаций можно после того, когда ученые поймут, как мозг управляет процессами баланса тела и можно ли на них повлиять извне.

Для чистоты эксперимента в лаборатории работают и исследуют людей, которые не были профессиональными спортсменами или занимались физическими упражнениями, связанными с балансом, а также с постинсультными больными.

Какие проекты у вас еще есть для постинсультных больных?

Следующий проект лаборатории изучает понимание того, как активность мозга связана с типами движения, например, подъем рук или ног. В этот проект также входит исследование воображения движения — должны ли быть во время движения открыты или закрыты глаза, во время того, как вы представляете в голове, что двигаете рукой. Можно сначала пошевелить рукой, потом вообразить, что двигаешь рукой.

Исследования подобного рода важны для реабилитации постинсультных больных, потому что при кровоизлиянии в мозг происходят типичные ситуации, а именно повреждения проводящих путей головного мозга к мышцам.

Проводящие пути разрушаются, и возникает парез — конечности и спинной мозг здоровы, но у человека становится парализованной одна сторона тела. Чаще всего у людей, которые перенесли инсульт, парализует руки или ноги, и возникает вопрос, как восстановить их чувствительность и двигательную функцию.

Сейчас один из активно развивающихся методов — это исследование интерфейсов «мозг-компьютер», которые позволяют считывать активность головного мозга и расшифровывать воображаемые движения пациентов в реабилитационный период.

Постинсультному больному дают задание, когда он должен вообразить движение или попытаться его сделать. В таких ситуациях поможет экзоскелет, который позволит двигать рукой, но можно обойтись и воображением, которое будет активизировать соответствующие области мозга, но главное, чтобы активной была та часть, которая отвечает за движение (в нашем случае рукой).

Поэтому одной из задач исследователей является определение типа воображения человека. Эту информацию можно узнать, если провести опрос, зарегистрировать активность с помощью приборов и расшифровать.

После для пациентов разрабатывают тренировочную программу, которая поможет им перейти от визуального воображения к кинестетическому.

Какую работу вы проводите с постинсультными пациентами?

Университет Иннополис активно работает с людьми, которые перенесли инсульт на базе клиники города. Ученых интересует прежде всего реабилитация моторной активности постинсультного больного.

Новизна нашего подхода в том, что нужно как можно быстрее проводить процесс исследований. Потому что чем раньше начинать, тем лучше. Классическая медицина предполагает, что постинсультный пациент лежит на протяжении двух месяцев и только после с ним начинают проводить процедуры по восстановлению моторной активности. В результате из общего числа парезных пациентов могут восстановить утраченные функции более 20 процентов, другие моторные навыки утрачивают.

Как нейроинтерфейсы позволяют восстанавливать функции тела человека?

Нейроинтерфейсы с биологической обратной связью позволяют восстановить функции тела. К тому же технология «мозг-компьютер» дешевле и практичнее экзоскелета, который дорог в обслуживании и сложен для выполнения экспериментов.

Самые простые исследования мозговой активности предполагают, что пациент без нейроинтерфейсов, то есть обратной связи, будет только воображать кинетическое движение.

Какие приборы вы используете для исследований?

В лаборатории нейронауки и когнитивных технологий используются три основных прибора: электроэнцефалограф, баланс-платформа и спектроскоп на общую сумму порядка 5 млн рублей.

Для регистрации активности головного мозга используют немецкий электроэнцефалограф, который позволяет регистрировать с высоким частотным и пространственным разрешением импульсы головного мозга и электрический потенциал, генерируемый нейронами.

Ближний инфракрасный спектроскоп (БИКС) — система для регистрации кровотока в головном мозге. В лаборатории стоит американский образец. С помощью БИКС можно зафиксировать области головы, где активно потребляется кислород. Лазерный луч, которым прибор светит в мозг, рассеивается на белке крови, который транспортирует кислород- оксигемоглобин. В той области мозга, где содержится высокая концентрация этого белка, там его активность снижена и мозг не работает. Когда мы делаем движение рукой, должна активизироваться моторная кора, а в этот момент визуально и фронтально они отключатся, и нейроны там не потребляют кислород, а в области моторной коры головного мозга, наоборот, его «едят».

Таким образом исследователи фиксируют те области мозга, которые активизируются и являются своего рода аналогом магнитно-резонансной томографии (МРТ). Но в отличие от МРТ ближний инфракрасный спектроскоп позволяет смотреть только кору головного мозга. Однако этого достаточно для исследования когнитивной системы или структуры познания человека, потому что только кора контролирует эти процессы.

Мы активно осваиваем эту технологию и будем увеличивать количество лазеров в БИКС для полного покрытия головы. Сейчас у нас 8 приемников и источников, количество каждых из которых мы доведем до 32, для плотного покрытия одного или исследования коры уже двух человек.

Расскажите про электроды, которые подключаются к человеку.

Электроды крепятся на голове с помощью проводящей пасты. В лаборатории используют два вида электродов: пассивные отечественного производства, каждый из которых стоит 30 рублей, и зарубежные с активной микросхемой и усилителем, которые стоят по несколько тысяч.

«Шапочки» с электродами используют, когда меряют НИРС с электрической активностью. Она комбинированная для лазера и излучателей с кольцами для электроэнцефалографии.

Проводят ли эксперименты со вскрытием головного мозга человека?

В Университете Иннополис не используют инвазивные технологии, потому что для этого нужны особые условия. Подобные технологии применяют только во время нейрохирургических операций, когда вскрывают головной мозг, ставят на него сетку и снимают сигналы. В Москве с ними работает Центр нейронаук и когнитивных исследований.

Много таких исследований проводят на животных. Например, мой аспирант совместно с институтом высшей нервной деятельности активно занимается расшифровкой внутрикартикальных записей немецких исследователей, которые были получены в ходе изучения обезьян и связаны с разными социальными стимулами.

Обезьянам показывают картинки и фотографии других приматов, детенышей, и ученые пытаются разобраться, как группа нейронов реагирует на социальные стимулы.

Почему проводить исследования мозга тяжело?

Мозг — это иерархически построенная структура. В нижней ее части проводят исследования, связанные с изучением связей нейронов, формирования и реализации пластичности их изменений. Мозг также представляет собой своеобразную вычислительную систему, которая постоянно меняет свою архитектуру. Серое вещество очень ценно для животного и человека как высшего существа. Даже если взять обычного червя, то его ганглии будут спрятаны в самой глубине тела. Потому что можно утратить конечности и жить, но утрата мозга обычно приводит к гибели.

Поэтому сложно считать с него информацию. К примеру, о сердце живого человека можно получить полную информацию: как происходит сокращение мышц или как бегут импульсы. С мозгом ситуация сложнее, потому что из-за множественности слоев трудно получить детальную информацию.

На каком уровне сейчас находится нейронаука в Татарстане?

В Татарстане на данный момент много передовых вещей в области нейронауки, и республика находится на уровне общемировых трендов и правильно развивается.

В плане когнитивных исследований наши работы находятся вполне на мировом уровне. Это подтверждается тем, что наши статьи публикуются в самых популярных научных изданиях. Проходят хорошо экспертизу и поддерживаются грантами ведущих фондов, которые финансируют подобные исследования.

Статьи татарстанских ученых регулярно выходят в группе авторитетных общенаучных журналов Nature. Например, в этом году там опубликовали три работы исследователей из Университета Иннополис.

Какие устройства уже применяются для обычных граждан?

В гражданских вопросах технология экзоскелета переживает бум. Например, со стороны вопросов реабилитации пациентов. В России есть проект группы исследователей, который носит название ExoAtlet. К слову, проект создавался при поддержке союза «НейроНет». Сейчас благодаря ExoAtlet в российских клиниках есть экзоскелет, который используется для тренировок или нейрореабилитации. Больной может их использовать как альтернативу креслу-каталке.

Есть ли разработки подобного рода у военных?

В открытых источниках есть информация, что в США есть исследования, имеющие отношение к военной медицине, а именно умных протезов. Они связаны прежде всего с травмоопасностью военных, а именно с повреждением конечностей.

Есть публикации, где утверждается, что фактически роботизированная рука управляется остатками нейронов, которые тянутся к мышцам, к которым удается приделать электронный интерфейс и научить человека осмысленно управлять этой рукой. Человек без конечности с помощью этой разработки может взять стакан, что представляет собой контроль высочайшего качества и серьезный прогресс.

Для военных подобные разработки представляют серьезное значение, например если надеть на солдата экзоскелет, управляемый нейронной и мышечной активностью, то с помощью него можно производить быструю разгрузку тяжелых предметов. Десантник в таком экзоскелете сможет выпрыгнуть из вертолета с высоты от трех до десяти метров, что на этапе боевых действий может спасти множество жизней.

Как экзоскелеты используют в промышленности?

Экзоскелеты давно используются и в промышленности. Например, компания Audi одна из первых несколько десятков лет назад внедрила себе в производство систему нейроскелета. Рабочие места, где от человека требуется монотонная деятельность, оснащены экзоскелетами, которые поддерживают руки на весу или при разгрузке тяжелых предметов. Однако изначально такие экзоскелеты были без нейроуправления, но сейчас технологии выходят на уровень умных механизмов, позволяющих не фиксировать их руками, а подавать сигналы с помощью мозга.

А есть ли шанс, что экзоскелеты подешевеют, хотя бы для людей с нарушениями функций тела?

Технологии экзоскелета в ближайшее время не будут дешевыми, и вопрос доступности связан с внедрением в массовое производство. Лечение больных, их реабилитация — социальная задача, и здесь есть шанс решить ее с помощью господдержки, потому что в 99 из 100 процентов случаев пациент не сможет оплатить такое лечение.

Все же перспективы удешевления есть. Я, например, был на мероприятии по аддитивным исследованиям, где показывали экзоскелеты, созданные с помощью технологий 3D-печати. Для печати требуется сделать снимок руки человека, после чего все размеры закладываются в 3D-принтер и за ночь печатается слепок руки хорошего качества. Поэтому аддитивные технологии таким образом смогут сыграть большую роль в плане удешевления экзоскелетов. И как только рынок станет большим, какие-то гиганты индустрии в это включатся и сразу найдут способ удешевить технологии.

Насколько мозг уже изучен?

Сегодня исследователи серого вещества представляют биохимию и генетику мозга и проводят активные разработки в этом направлении. Ученые могут построить модель и искусственные нейронные сети, которые позволяют понять, как идет взаимодействие между нейронами на микроуровне. Пока естествоиспытатели слабо понимают, как реализуются высшие нервные функции, как осуществляется работа памяти, принятие решения и как человек придумывает что-то новое.

Исследования мозга уже прошли несколько стадий. Самая первая — деструктивный способ, когда изучали людей с травмами головного мозга и у них утратились какие-то виды деятельности. Таким способом определяли функционал мозга.

Теперь прогресс возникнет тогда, когда мы сможем придумать новые методы изучения либо тогда, когда кто-то выдаст хорошую гипотезу о том, как работает мозг.

Можно ли восстанавливать слух или зрение с помощью нейронауки?

Слух одна из функций, которую сегодня хорошо умеют восстанавливать, и даже один из первых нейропротезов был связан со слухом. Он называется «кохлеарный имплантат» и представляет систему, которая вживляется во внутреннее ухо и позволяет человеку, который утратил слух, вернуть его.

Восприятие зрительной информации — это неплохо изученный процесс, но там хватает вопросов. В университете как раз активно занимаются обработкой визуально сенсорной информации человеком. К слову, в 70-х годах делались попытки присоединить камеру к остаткам нервов ослепшего глаза и даже удавалось получать какие-то изображения в головном мозге. Но они воспринимались не как картинки, а как пятна. К сожалению, эти исследования не стали развивать.

С кем сотрудничает Университет Иннополис?

Лаборатория нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис сотрудничает с Мадридским техническим университетом, где есть центр биомедицинских технологий — один из крупнейших в Испании, где есть кластер нейрофизиологических исследований. Также там есть установка магнитоэнцефалографии для исследований.

Это один из немногих университетов в Европе чисто для исследовательских установок, которые мы тоже имеем право использовать для исследований.

С испанскими коллегами-учеными мы занимаемся задачами, которые связаны с пониманием того, как мозг обрабатывает визуальную информацию и принимает решение на ее основе. Например, есть оптическая иллюзия «Ваза Рубина», где смотрящий может разглядеть или вазы, или лица. Мозг нам постоянно дает две интерпретации: или лицо, или ваза. Эта на первый взгляд игрушечная задача тянет за собой и восприятие информации, и классификацию, и принятие решений.

Активное сотрудничество представителей Татарстана происходит и с британским университетом Лафборо в сфере применения методов искусственного интеллекта к анализу головного мозга. То есть создания математических методов для классификаций состояния мозга.

Также активно наши нейроученые поддерживают отношения с университетом Мюнстера в Германии. Совместная работа лабораторий проходит в сфере эпилептических приступов человека. Несколько лет назад сотрудниками университетов удалось создать нейроинтерфейс, который подавляет нейротипические приступы.

Еще одним соратником Университета Иннополис является Потсдамский институт климата из Германии. Всё из-за того, что исследования климата похожи на изучение мозга. Например, пока не совсем ясно, как климат формируется, возникают цунами или катастрофические последствия, связанные с ураганом. Немецкие ученые строят сетевые модели и пытаются применить в своей работе искусственный интеллект.

Например, сейчас они для Индии внедрили систему предсказания ливней, которые являются большой катастрофой для страны. Они сотрудничают с Татарстаном, потому что университету из Потсдама интересно применить подобные подходы к нейронауке.

Сколько человек в РТ занимаются нейронаукой?

Более 100 человек в самых разных направлениях.

А кто является лидером в этой индустрии сегодня?

В лидерах сегодня компании, которые производят медицинское оборудование нейровизуализации, например электроэнцефалографы и магнитные энцефалографы.

Нейронаука — это фундаментальная наука, которая приносит большую пользу для медицины и реабилитации людей. Возможно, в ближайшее время будут созданы эффективные исследования, которые смогут контролировать какие-то объективные параметры человека: степень внимательности, усталости — и многие другие, потому что очень многие катастрофы происходят не из-за ошибок техники, а из-за человеческого фактора и утомляемости.

Около года назад произошла авиакатастрофа, когда авиалайнер Ан-148-100B авиакомпании «Саратовские авиалинии» совершал плановый полет и разбился за несколько минут до посадки. В ходе расследования выяснили, что пилот не включил вовремя подогрев системы, которая измеряла скорость самолета. В результате была получена неправильная информация о скорости самолёта, и вместо того, чтобы взлететь, он уткнулся в землю.

Получается, пилот, скорее всего, отвлекся, и если бы была система, которая контролировала процессы его организма, то смогла бы вовремя предупредить об опасности.

Сейчас вопросы понимания, как работает мозг, очень актуальны в Евросоюзе, Японии, в Юго-Восточной Азии, Китай начал вкладывать в это деньги. В США со следующего года начнется второй этап крупной программы исследований мозга, в которую будет вложено порядка 6 млрд долларов.

Вы планируете претендовать на гранты?

Интересно реализовать образовательный проект о том, как устроен мозг. Предварительные исследования университета с детьми привели к тому, что пора создавать систему нейроинтерфейса для образования.

Система, сможет контролировать состояние коры головного мозга ребенка и поможет школьному психологу тестировать качества ребенка в профориентации. Или понять, почему у ребенка что-то не получается. Она может помочь выбрать образовательную траекторию.

У нас уже есть такой прототип системы. Когда ребенок решает задачи, регистрируется его активность мозга и поведенческая реакция. Удается понять, какие задачи даются сложнее. Мы можем получить информацию, как он решает задачу, и понять, с чем это связано: с усталостью, со сложностью задачи или с невнимательностью ребенка. Это позволяет более детально определить, что дальше делать.

Эта система пока находится на стадии обработки. Хотелось бы получить некое финансирование для продолжения исследований, потому что это приложение нейротехнологии, которое не сильно развивается во всем мире. Здесь мы можем оказаться лидерами.

Она сможет распознать аутизм у ребенка?

Более того, вполне возможно, что это будет самая успешная форма работа с аутизмом. Поэтому такие системы, которые были бы гибкими и легко настраиваемыми и учитывали бы эти индивидуальные особенности ребенка на уровне активности мозга, дающие четкий рисунок того, что происходит с ребенком, будут очень мощным прорывом.

На первом этапе не нужно будет много денег. Немного средств для того, чтобы перейти с альфа-тестирования до уровня бета-тестирования. Здесь важно хорошее взаимодействия со школами, которые были бы готовы принять участие в таком эксперименте.

А что вы скажете о проекте «Нейролинк» Илона Маска, который также занимается нейронаукой?

Он интересен, но в нем нет ничего нового с точки зрения науки. Потому что они создали робота, который загружает в мозг электроды. Им удалось в мозг крысы внедрить около 4 тыс. электродов, которые можно использовать для интерпретации данных.

Такие результаты в дальнейшем можно использовать для полностью парализованных людей, которые смогут управлять внешними устройствами и коммуницировать с миром.

Я и еще несколько ученых написали комментарий к проекту Neurolink по просьбе журнала, куда Илон Маск отправил статью. Мы познакомились с работой, почитали внимательно. Я в комментарии написал, что все хорошо, но вопрос стоит в том, насколько это применимо в будущем. Интереснее было бы попробовать на каком-то более крупном животном, хотя бы на макаке-резус. Но понятно, что вложено много денег в проект и сделана очень хорошая система инвазивной регистрации активности.