Как «подключиться» к мозгу без вреда

Современные интерфейсы «мозг — компьютер», или BCI, позволяют считывать сигналы мозга и превращать их в команды, например, в движение курсора, набор текста или управление протезом. Но у этой технологии есть серьёзная проблема. [1] Чтобы получить качественный сигнал, электроды часто приходится вживлять прямо в ткань мозга.

Такой подход даёт точность, но связан с рисками. Ткань повреждается, может возникать воспаление, а со временем качество сигнала ухудшается. Мозг постепенно как будто «отгораживается» от электрода, и система начинает работать менее стабильно.

Новый подход к размещению электрода не в мозге, а рядом с ним

Речь идёт о боковых желудочках мозга. Это внутренние полости, заполненные спинномозговой жидкостью. Идея авторов заключается в том, чтобы считывать сигналы не напрямую из нейронов, а через окружающую их среду.

На первый взгляд это звучит проще, чем классическая имплантация. Но с инженерной точки зрения это сложная задача. Устройство должно попасть в небольшое пространство, раскрыться внутри него, не повредить ткани и при этом сохранять стабильный контакт. 

Для этого учёные создали особый электрод, вдохновлённый формой китайского фонарика. [2] Принцип работы можно представить так:

1. электрод вводят в мозг в сложенном виде, тонком и компактном виде;
2. когда он оказывается внутри желудочка, он раскрывается;
3. затем мягко прижимается к стенкам и удерживает стабильное положение.

Такое устройство важно не только из-за формы. Оно помогает решить сразу несколько проблем, которые обычно возникают при имплантации электродов:

• меньше травмирует ткань мозга;
• равномернее контактирует с поверхностью;
• остаётся стабильным даже при движениях;
• лучше адаптируется к форме пространства, в котором находится.

Что показал эксперимент

Ключевой результат работы заключается в том, что сигналы мозга удалось записывать стабильно. Учёные показали, что качество записи сопоставимо с классическими подходами, при этом сигнал почти не ухудшался со временем.

Наблюдение продолжалось несколько месяцев, и система сохраняла работоспособность. [3] Это важно для нейроинтерфейсов, потому что одна из главных проблем многих имплантов заключается в постепенной деградации сигнала.

Результаты можно свести к нескольким пунктам:

• сигналы мозга можно было стабильно записывать;
• качество записи оставалось сопоставимым с классическими методами;
• сигнал почти не ухудшался со временем;
• реакция ткани была значительно сильно, чем при прямом контакте электрода с мозгом.

Вероятное объяснение этому то, что электрод не врезается в ткань, находится в жидкостной среде и создаёт меньше механического давления. Поэтому мозг «спокойнее» относится к устройству.

Можно ли с помощью такой системы «читать мысли»

Популярный вопрос в подобных исследованиях заключается в том, можно ли с помощью такой технологии читать мысли. Ответ: да, но только в очень ограниченном смысле.

В эксперименте учёные использовали крыс. Животным давали задачу в лабиринте, где в определённый момент крыса должна была выбрать направление поворота, налево или направо. Выбор зависел от памяти, например, от того, где раньше находилась награда.

Но здесь важно не переоценивать результат. Система не читает мысли в привычном смысле. [4] Она не умеет:

• понимать мысли словами;
• «слышать» внутренний голос;
• извлекать воспоминания как видео;
• понимать личность, чувства или сложный смысл переживаний.

Зато она может распознавать более простые и конкретные нейронные сигналы:

• намерение действия;
• сигналы, связанные с памятью;
• выбор в конкретной задаче, например, «лево» или «право».

Почему это вообще работает

У такого результата есть несколько объяснений. Боковые желудочки расположены рядом с важными структурами мозга, в том числе с гиппокампом, который связан с памятью и пространственной навигацией. [5] Кроме того, поскольку электрод не повреждает ткань напрямую, сигнал может быть менее «зашумлённым» воспалительной реакцией.

Сам интерфейс при этом ничего не «понимает». Работает связка:

• электрод записывает сигнал;
• компьютер его обрабатывает;
• алгоритм ищет закономерности и сопоставляет паттерны с будущим действием.

Например, один паттерн может быть связан с поворотом налево, а другой с поворотом направо. Со временем система учится отличать эти состояния друг от друга. Это больше похоже на распознавание речи или жестов, чем на чтение мыслей.

Плюсы, ограничения и перспективы

Главное преимущество нового подхода заключается в попытке сделать нейроинтерфейс более щадящим и долговечным. [6] Для медицинских технологий это особенно важно, поскольку устройство должно не просто хорошо работать в момент установки, но и сохранять стабильность на протяжении долгого времени.

Плюсы нового подхода:

• меньше повреждение ткани мозга;
• слабее воспалительная реакция;
• стабильнее сигнал в течение длительного времени;
• появляется доступ к глубоким структурам мозга.

Ограничения тоже остаются:

• операция всё равно необходима;
• сигнал может быть более «размытым», чем при прямом контакте с нейронами;
• пока это эксперименты на животных, а не готовая технология для людей.

Поэтому говорить о скором массовом применении рано. Но сама идея важна, поскольку для некоторых задач, возможно, не обязательно внедряться в ткань мозга напрямую, чтобы получать полезную информацию о его работе.

Возможные направления применения:

• управление протезами, курсором или вспомогательными устройствами;
• восстановление коммуникации у пациентов с тяжёлым параличом; [7]
• мониторинг и изучение неврологических заболеваний;
• исследование памяти, пространственной навигации и принятия решений.

Итог

Если сказать совсем просто, учёные предложили более щадящий способ «подключаться» к мозгу не через прямое повреждение ткани, а через жидкостную среду внутри боковых желудочков.

Главным достижением работы является стабильное и долговечное считывание активности мозга. Система смогла записывать сигналы месяцами и по ним достаточно точно предсказывать простые решения животного.

Часто задаваемые вопросы:

Список использованной литературы: