Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга
Рис. 5.10. Управляемый силой мысли робот-костюм для парализованных. Такого рода нейропротезные устройства пока не ушли дальше ранних стадий проектирования, но мало-помалу приближаются к границам возможного
Gregoire Cirade / Science Photo Library
Как говорит Джен, «если уж на то пошло, я все же больше предпочитаю иметь мозг, чем руки»11. Потому что если у вас есть мозг, то к нему можно пристроить новое тело, а наоборот — никак.
В настоящее время активно разрабатываются интерфейсы «мозг — компьютер» для восстановления подвижности всего тела парализованных12. Так, чтобы вернуть им двигательную способность, группа ученых в рамках международного проекта Walk Again («Вновь ходить») работает над подобием экзоскелета[38] на все тело с головы до пят, которым можно управлять с помощью мысленных команд. По замыслу ученых, парализованному человеку останется только подумать о каком-либо действии, как это делает Джен, и «костюм» это действие выполнит. Для реализации замысла добровольцу планируется имплантировать пластины с высокой плотностью электродов в десять разных областей мозга — в дальнейшем это позволит пациентам канализировать свою мозговую активность, чтобы управлять сложнейшими роботами13.
Ученые из Института медицинских исследований имени Файнштейна в Нью-Йорке в 2016 году избрали несколько другой подход. Ученые перехватывали сигналы моторной коры, чтобы знать, когда она отдает команды мышцам, но информацию направляли не роборуке или костюму, а непосредственно мышцам через установленную на предплечье пациента систему электростимуляции14. Участник эксперимента думает о каком-либо движении руки, и сигналы (пропускаемые через алгоритм машинного обучения для наиболее точной интерпретации бури нейронной активности) обходят стороной поврежденный участок спинного мозга и перескакивают на мышечный стимулятор. И рука выполняет движение. Парализованные испытуемые могли производить различные движения запястьем и кистью руки: брать предметы, поворачивать их в разные стороны и класть на место, а также двигать пальцами, что позволяло набирать номер на телефоне, использовать клавиатуру и т. п.
* * *
Идея перенаправлять выходные нервные импульсы к роботизированной руке обладает одним недостатком: мозг не получает обратной сенсорной связи от пальцев. Рука-робот может слишком сильно сдавить яйцо или, наоборот, так слабо, что не удержит, а промашка будет осознана, только когда уже поздно ее исправлять. Так младенец может агукать в наушниках, не слыша, какие звуки производит.
Для устранения данного недостатка следует замкнуть петлю обратной связи. Этого можно достигнуть переключением паттернов активности в соматосенсорную кору. Когда роборука прикасается к предмету, в соматосенсорные области направляется паттерн, эквивалентный прикосновению к кончикам пальцев, и тогда у человека возникает ощущение, что он прикасается к поверхности с конкретной текстурой. Прикосновение к другим предметам позволит ощутить уже другую текстуру. Таким образом человек получает ощущение сенсорного взаимодействия с миром. Его мозг благодаря своей гибкости со временем научится преобразовывать эту схему в полное восприятие роботизированной руки как собственной. Мозг успешнее всего обучается двигать телом при замкнутой петле обратной связи — не только за счет посылаемых сигналов, но и за счет принимаемых, которые подтверждают, что взаимодействие с миром происходит. Например, когда младенец бьет ручкой по деревянным планкам кроватки, он осязает их, видит и слышит звук удара.
Поскольку обучение мозга в основном происходит в таком цикле, неудивительно, что моторная и сенсорная карты, как правило, изменяются параллельно. Например, когда условия эксперимента принуждают обезьян пододвигать к себе лакомство с помощью лопатки (длины руки для этого недостаточно), обе карты в их мозге слегка перестраиваются, чтобы растянуть представительство руки на длину инструмента. Лопатка в буквальном смысле становится частью их тела (рис. 5.11)15. Моторная и сенсорная системы не являются независимыми, напротив, они соединены в непрерывном цикле обратной связи.
Рис. 5.11. Когда обезьяна использует лопатку, чтобы пододвинуть к себе предмет, до которого не может дотянуться, представительство тела в ее мозге видоизменяется, чтобы отобразить всю длину лопатки. Овалом показана область на карте тела, где под воздействием электродов возникает возбуждение нейронов
Печатается с разрешения автора
* * *
Как мы видим, применение интерфейсов «мозг — компьютер» позволяет восстановить или заменить поврежденную конечность. Можно ли применить такую же технологию для создания дополнительной конечности?
В 2008 году самец обезьяны с двумя нормальными здоровыми руками силой мысли управлял действиями третьей, металлической руки. Имплантированная в его мозг миниатюрная плата с электродами позволяла ему двигать роботизированной рукой, чтобы хватать и отправлять в рот маршмеллоу16. Первоначально обезьяну тренировали выполнять нужное действие перемещением курсора на экране в сторону цели и каждую удавшуюся попытку поощряли лакомством. Сначала самец выполнял действие собственными руками. А потом случилось нечто весьма примечательное: в конце концов он перестал действовать рукой, а курсор продолжал двигаться сам собой. Мозг животного перемонтировал нейронную сеть, чтобы разделить эти две задачи: часть нейронов продолжала соответствовать его настоящим рукам, а другую часть мозг откомандировал курсору на экране. В конце концов сигналы мозга приспособились управлять роборукой и захватывать ею маршмеллоу, причем безо всяких физических движений настоящими живыми конечностями. Механическая рука стала еще одной конечностью (рис. 5.12).
Рис. 5.12. Обезьяна посредством мозговой активности руководит действием роботизированной руки и отправляет в рот маршмеллоу
Andrew B. Schwartz
Следует ли удивляться, что люди и обезьяны способны сообразить, как силой мысли управлять роботизированной рукой? Нет, не следует: за этим стоит тот же процесс, посредством которого ваш мозг в младенчестве учился управлять вашими «родными» конечностями из костей и плоти. Как мы уже видели, процесс состоял в том, чтобы вы хаотично двигали ручками-ножками, раскидывали их в стороны, пробовали кусать пальчики ног, хватались за планки кроватки, глазели по сторонам, переворачивались и поворачивались — годами! И все это ради того, чтобы тонко отрегулировать управление телом. Мозг рассылал ему команды, сопоставлял их с получаемой от мира обратной связью и наконец усвоил, каковы возможности ваших конечностей. Ваша обтянутая кожей рука ничем не отличается в этом смысле от громоздкой серебристой роборуки, позволявшей обезьяне добывать себе маршмеллоу. По большому счету рука — это обычное эксплуатационное оборудование, и вы настолько к нему привычны, что даже не осознаёте всего его великолепия.