IT-байки: нейроинтерфейс BrainGate - руки и ноги заменит мозг

Какие первые мысленные ассоциации вызывает у вас упоминание о компьютерном интерфейсе, управляемом непосредственно мозгом? Лично у меня первым делом в памяти всплывают всевозможные киборги, так красочно описанные Голливудом в многочисленных фантастических боевиках и ужастиках. Затем на ум приходят многочисленные современные штучки для управления компьютерной мышкой, надеваемые на голову и громко называемые "интерфейсами для управления ПК силой мысли".

Что ж, всё это в той или иной степени имеет право на жизнь, однако порой становится действительно интересно, как далеко зашли современные разработки интерфейсов между человеческим мозгом и компьютером, и насколько вообще реален на практике сам принцип считывания мозговой деятельности для управления внешними процессами.

Что ж, определённые сдвиги в этом направлении есть, и сегодня хотелось бы рассказать об одной из таких разработок, давно прошедшей начальный период теоретических исследований и уже нашедшей практическое применение. Однако сегодня, вопреки расхожему мнению о том, что первыми подобные разработки получают люди в военной форме, речь пойдёт о помощи инвалидам и людям с различными формами паралича конечностей. Им как никому другому в первую очередь требуется связь с внешним миром, возможность хоть каким-то образом определять своё присутствие на этой грешной земле. Похоже, последние разработки нейроинтерфейсов в скором времени дадут им такую возможность.

Обычно под "системой нейроинтерфейса" (neural interface system, NIS) подразумевают устройство с внедрённым в кору головного мозга (точнее, в двигательную его область) сенсором, позволяющим считывать сигналы активности нейронов, ответственных за функции движения, и затем применять эти декодированные усиленные сигналы для управления внешними устройствами и даже для восстановления функции парализованных конечностей. Научные исследования давным-давно подтвердили практическую возможность регистрации импульсов нейроактивности в двигательной области коры головного мозга - даже у тех, кто парализован многие годы, а также возможность использования этих импульсов для управления различными протезами рук или курсором дисплея.

Впрочем, несмотря на столь оптимистичные успехи на ранней фазе исследований, добиться значительных успехов даже при передвижении курсора мышки по экрану было не так-то просто. Потребовались годы, чтобы придумать достаточно чуткие датчики и соответствующую электронику обвязки, точнее определиться с функциональными особенностями этого участка мозга, разработать методику декодирования полученных результатов. Так, например, первоначальные системы нейроинтерфейса использовали методику линейной регрессии для непосредственного декодирования позиции курсора согласно по следам активности нейронов. В то же время исследования, проводившиеся на подопытных обезьянах, показали, что код нейронов двигательной области коры головного мозга отображает скорость, и гораздо лучшие результаты управления курсором получаются при декодировании скорости с использованием фильтра Кальмана.

Самое время упомянуть, что научным центром, пожалуй, далее всех других продвинувшимся в создании качественной системы нейроинтерфейса, называют Университет Брауна (Brown University) штате Род-Айленд. В стенах этого университета родилась и продолжает развиваться система BrainGate - технология детектирования сигналов мозга, позволяющая парализованным людям использовать эти сигналы для управления внешними вспомогательными устройствами. Система BrainGate, разработанная на стыке неврологии, нейрохирургии, компьютерных и инженерных наук, в настоящее время находится во второй стадии клинических испытаний и вполне заслуживает сегодняшней отдельной публикации.

Между тем, уже в следующем 2010 году проект BrainGate отпразднует свой первый 10-летний юбилей. Вкратце - об основных вехах развития проекта.

История BrainGate началась в 2000 году, когда группа из шестерых учёных Университета Брауна разработали программу исследований человеческого мозга с помощью миниатюрной электроники, а Министерство обороны США выделило на эти цели $4,25 млн. грант. Слово "нанотехнологии", понятно, тогда ещё не вошло в наш ежедневный лексикон. Голливуд, правда, уже тогда имел солидный список вариантов развития ближайшего будущего с участием всевозможных киборгов - гибридных человеко-роботов, где человекообразная биомасса управляется искусственным разумом или наоборот, человеческие мозги встроены в электромеханическую человекоподобную систему.

Учёные ли черпали идеи из фантастических блокбастеров, Голливуд ли почитывал идеи учёных - неважно, главное, что уже в 2001 году была образована компания Cyberkinetics Neurotechnology Systems, использовавшая лицензированные разработки исследовательского фонда Университета Брауна, частично основанные на работах и технологиях из лаборатории нейробиолога Джона Донахью (John Donoghue), руководителя научной программы по исследованию возможностей человеческого мозга при Университете Брауна.

Уже в 2002 году исследователи продемонстрировали реальную возможность декодирования и использования для контроля курсора компьютера сигналов мозга, обычно управляющих движением руки. Ещё через два года - в 2004, Администрация по контролю за продуктами питания и лекарствами при Министерстве здравоохранения и социальных служб США выдало Cyberkinetics разрешение на испытания нейроинтерфейса The BrainGate Neural Interface System на пациентах-добровольцах. В том же году Университет Брауна и медицинский реабилитационный центр для ветеранов Providence VA Medical Center получили 5-летнюю программу $4,75-млн. финансирования для создания центра восстановительной и регенеративной медицины - Brown-VA Center for Restorative and Regenerative Medicine, сфокусировавшийся на проблемах восстановления полноценной жизнедеятельности ветеранов, потерявших конечности.

Первый официальный отчёт о результатах клинических испытаний нейроинтерфейса BrainGate был представлен в 2006 году. В нём исследователи из Университета Брауна и Массачусетского медицинского центра (Massachusetts General Hospital) в Бостоне поведали о том, что мозговой сенсор BrainGate позволяет пациентам с диагнозом "тетраплегия" (паралич обоих рук и обеих ног) управлять протезом руки и роботизированными конечностями, а также передвигать курсор на экране компьютера. Результаты этой работы стали основой для подписания в 2007 году соглашения между Университетом Брауна, компанией Cyberkinetics и Центром функциональной электростимуляции Кливленда (Cleveland Functional Electrical Stimulation Center) о разработке новых мозговых имплантатов с возможностью записи или стимулирования нейронной активности, которые могли бы использоваться пациентами с параличом конечностей, эпилепсией и другими повреждениями и расстройствами центральной нервной системы.

Такова предыстория развития проекта BrainGate, вылившегося в наступившем 2009 году в официально одобренные Администрацией США клинические испытания стадииBrainGate2 с участием пациентов-людей. Испытания уже начались и проходят сейчас в Массачусетском медицинском центре при активном участии учёных Университета Брауна и медицинского реабилитационного центра для ветеранов в Провиденсе, Род-Айленд.

Теперь - самое время перейти к подробностям о том, что же собственно представляет из себя нейроинтерфейс BrainGate, куда он вживляется, как работает и какие выгоды сулит его практическая реализация.

Схематически нейроинтерфейс комплекса BrainGate Neural Interface System можно описать как беспроводное микроэлектронное устройство, передающее сигналы коры головного мозга на внешний контроллер. Интерфейс состоит из двух модулей - блока датчиков мозговой активности, располагаемого непосредственно в двигательной области коры головного мозга, под черепом, и связанного с ним гибким шлейфом контроллера, располагаемого под кожей головы, на черепе, обрабатывающего нейроданные и передающего их посредством беспроводного интерфейса на внешний компьютер.

Наиболее ответственная часть системы BrainGate, это вживляемый под череп - непосредственно на кортикальный слой головного мозга электронный чип, состоящий из массива миниатюрных электродных датчиков, предварительных усилителей сигналов сверхмалой мощности и блока аналогового мультиплексирования. Имплантируемая микросистема в настоящее время позволяет вести запись и передачу активности мозга по 16 независимым каналам, преобразуя получаемые сигналы в цифровой поток.

Модуль массива датчиков и предварительного усиления/мультиплексирования сигнала является одним из наиболее сложнейших и ответственных элементов системы BrainGate. Для того, чтобы получить максимально тонкую конструкцию, учёные из Университета Брауна разработали специальный интеграционный процесс по принципу монтажа методом перевёрнутого кристалла "выводами к подложке" ("flip-chip"), при котором электронный чип усилителей/мультиплексоров крепится серебросодержащей смолой непосредственно с обратной стороны подложки массива нейродатчиков. Таким образом достигается не только максимальная миниатюризация, но также лучшее соотношение сигнал/шум за счёт максимального приближения предварительных усилителей к датчикам нейронной активности.

Любой сдвиг головного мозга относительно черепной коробки может вызвать разрыв, повреждение системы, а то и чего доброго "выдернуть" датчики-электроды из кортикального слоя мозга. Поэтому ещё один элемент конструкции, требующий минимальной толщины и максимальной гибкости при сохранении функциональности электрических цепей - это интерфейсный кабель, соединяющий подчерепной модуль датчиков и предварительных усилителей с расположенным на черепе модулем обработки и передачи данных.

Поэтому имплантируемый модуль, интерфейсный кабель и блок обработки и передачи данных базируются на общей гибкой полимерной подложке из каптона (полиимида, полиамидной плёнки), ламинированной с обратной стороны слоем оксида алюминия для усиления механической прочности на изгиб и надёжной разводки металлических проводников. Каптон, кроме превосходной гибкости, также обладает очень низким показателем поглощения влаги и на протяжении множества лет используется в качестве материала для нужд протезирования при операциях на сетчатке глаза, позволяя располагать экстремально компактную электронику непосредственно в глазу. На фото ниже хорошо заметна каптоновая подложка зелёного цвета.

Дальнейшая обработка данных и её пересылка на внешний ПК производится в модуле, вживляемом под кожу на поверхности черепной коробки. Чип контроллера этого модуля разработан с применением производственного сервиса MOSIS и выпускается с соблюдением норм 0,5-мкм техпроцесса. В нём располагается аналогово-цифровой преобразователь, маломощный цифровой контроллер и инфракрасный излучатель, благодаря которому передача цифрового потока данных производится посредством инфракрасных импульсов непосредственно через кожу. Благодаря IR-интерфейсу подключение к внешнему компьютеру для контроля активности мозга и, соответственно, для работы исполнительных приложений, производится без проводов.

Цифровой контроллер чипа мультиплексирует цифровые данные, полученные после АЦП преобразования и синхронизирует их кодовым словом, специальным для каждого канала данных.

Далее контроллер модулирует полученными мультиплексированными данными специальный лазерный диод с излучением когерентного света перпендикулярно слоям полупроводников (vertical-cavity surface-emitting laser diode, VCSEL), который, собственно, и передаёт на внешний модуль телеметрию в инфракрасном диапазоне с пиковой оптической выходной мощностью до 2 мВт.

Светодиод при этом занимает на подложке площадь менее 1 мм². На снимке ниже - снимок камерой "ночного видения", где чётко видно ИК-излучение лазерного диода от модуля BrainGate, имплантированного подопытной макаке 7 дней назад.

В процессе работы модуль АЦП получает тактовые и синхронизирующие импульсы от внешнего контроллера, получившего название Брауновская нейрокарта (The Brown Neurocard, BNC). Помимо этого, с помощью внешнего контроллера также задаётся канальная адресация чипу предварительных усилителей.

Внешняя нейрокарта BNC получает последовательность данных и использует кодовое слово для определения начала информации первого канала. Далее производится обратный процесс расшифровки данных с последующей записью, изучением и даже передачей обработанных сигналов для управления различными исполнительными приложениями - протезами, курсором дисплея и пр.

Отдельного упоминания заслуживает система питания электроники имплантируемого комплекса. Суммарное энергопотребление всей системы в нынешней версии составляет примерно 12 мВт. Питание схемы может осуществляться несколькими различными беспроводными способами, например, наведением радиочастотной индукции, конвертированием инфракрасного излучения посредством фотоэлектрического преобразователя и т.п.

В процессе разработки и подготовки к клиническим экспериментам с людьми, нынешняя версия нейросистемы BrainGate прошла предварительные испытания на мозге приматов (макак), при этом имплантат внедрялся на достаточно продолжительное время (порядка месяца), и весь этот срок демонстрировал стабильный выход нейроданных по всем каналам. На словах всё это, безусловно, выглядит просто: распилили череп, вживили проводки, включили компьютер - Voilà!

На практике же потребовалось проведение множества практических экспериментов. И не только для прогонки электроники на испытательном стенде: например, оказалось не так-то просто разместить 4х4 мм массив микроэлектродов в необходимой области мозга на требуемую глубину с субмиллиметровой точностью, при этом предусмотреть необходимую длину и механическую прочность интерфейсного кабеля, исключающую "выдёргивание" электронного имплантата. Словом, к исследовательской работе были привлечены лучшие электронщики, хирурги, анатомы, нейрофизиологи.

Вот, собственно говоря, и всё. Разве что осталось упомянуть два полезных факта. Первый связан с тем, что проводимые нынче клинические испытания BrainGate являются лишь малой частью большой исследовательской программы, конечной целью которой является оказание реальной помощи пациентам с тетраплегией, повреждением спинного мозга, страдающим припадками, мышечной дистрофией, боковым амиотрофическим склерозом (болезнь Шарко) и потерявшим конечности. В процессе клинических испытаний системы BrainGate будут получены практические результаты по возможности использования пациентами искусственными конечностями, работы с различным компьютерным программным обеспечением и даже, вполне возможно, управления инвалидной коляской.

Вполне возможно, что со временем военные таки доберутся до этой технологии с целью использования мозговой активности для совершенствования современного оружия. Однако пока что проект BrainGate задействован на мирные цели - на восстановление активности, мобильности и в конечном счёте независимости инвалидов. Второй полезный факт связан с тем, что проекту BrainGate2 для клинических испытаний до сих пор требуются добровольцы в возрасте от 18 до 75 лет с вышеперечисленными диагнозами в период с мая 2009 по декабрь 2015. Проживать, правда, требуется в радиусе 2 часов езды от исследовательского центра в Массачусетсе, есть и другие условия, но вдруг кому-то эта информация сгодится - даю прямую ссылку:

BrainGate2: Feasibility Study of an Intracortical Neural Interface System for Persons With Tetraplegia