Пожалуй, одним из самых важных из недавних научных событий стала публикация группы американских ученых из Университета Дьюка, «соединивших» мозги обезьян. Лаборатория под руководством выходца из Бразилии профессора Мигеля Николесиса устраивает такие сенсации с завидной регулярностью. Внедряя микроэлектроды в непосредственной близости к нейронам головного мозга подопытных животных, экспериментаторы соединяют их друг с другом, с дополнительными датчиками и компьютерами, создавая эдакие «мозговые химеры». Крыс, видящих в инфракрасном свете и обменивающихся мыслями, команду обезьян, управляющих виртуальной рукой.
– Все такие работы берут начало еще с Гальвани, который впервые вызывал сокращение мышц лягушки слабыми разрядами электричества. Ну а те исследования, которые непосредственно предшествовали нашим, начались много позднее, примерно в 1960-х, когда Эдвард Эвартс, используя микроэлектрод, впервые стал фиксировать активность отдельных нейронов в мозге обезьяны.
Для своего времени это был огромный прорыв: животное с внедренным в мозг микроэлектродом оставалось полностью нормальным и бодрствовало, пока ученые записывали нейронные импульсы. Раз за разом обезьяне можно было давать задачи на различные виды активности, изучать ответы тех или иных нейронов, а значит – устанавливать их функцию. Так были найдены клетки, работа которых связана с движением, с обработкой зрительной информации и т. д.
– Это, видимо, была во многом работа наугад? Ведь тогда невозможно было поместить микроэлектрод в строго определенный, заранее заданный нейрон…
– Разумеется. Внедрение микроэлектрода – это нечто вроде рыбалки: трудно предсказать, какая именно добыча попадется в этот раз. Хотя в общих чертах мы, конечно, можем сделать определенные предсказания, работая с нейронами той или иной области мозга.
В этом эксперименте с одноклеточной регистрацией при помощи микроэлектрода, имплантированного в зрительную систему обезьяны, отслеживается электрическая активность отдельного нейрона
Однако не следует забывать, что нейронов в мозге – многие миллиарды, и чтобы понять его работу по-настоящему, стоило бы охватить этими наблюдениями сразу все его клетки. Конечно, эта задача совершенно недостижима и сейчас. Но сегодня мы можем отслеживать параллельно уже сотни, а порой и тысячи нейронов.
– А как быть с неповторимостью каждого нейрона? Ведь мозг – система исключительно пластичная, гибкая, он формируется в процессе индивидуального развития. Если у одного животного вы поместите электрод в точно определенную область, это еще не значит, что у другого в ней будет иметься тот же нейрон с точно теми же функциями и связями…
– Это, безусловно, так, и в этом смысле каждая запись уникальна. Но поскольку мы наблюдаем нескольких животных, мы получаем некоторую усредненную картину и находим важные общие тенденции. Кроме того, за редкими исключениями подобные исследования не касаются высших нервных функций, а направлены на относительно «простые» задачи, такие как представление сенсорных сигналов или управление движениями. У структур, задействованных для этих задач, устройство более или менее одинаково даже для разных животных.
Задача многоканальной регистрации большого количества нейронов упирается в некоторые технические вопросы: внедрить сотню микроэлектродов в мозг относительно несложно, но требуется достаточно развитая электроника и компьютерная техника для записи, передачи и обработки сигналов в режиме реального времени. Поэтому именно в последнее десятилетие, когда прогресс в этой сфере шел особенно быстро, в области многоэлектродных отведений наступил настоящий расцвет.
Парализованная пациентка силой мысли управляет роботизированной рукой, созданной группой под руководством Эндрю Шварца
Параллельно этому возникло такое новое и многообещающее направление как интерфейс «мозг – машина». Идея тут состоит в том, что если мы сумеем записывать одновременно достаточно большое количество нейронов и обрабатывать эти данные в режиме реального времени, то мы сможем превращать их в управляющие сигналы, например, для искусственной конечности – протеза, для генератора речи или экзоскелета. Эти работы начались тоже примерно лет десять назад, а сегодня едва ли не каждую неделю публикуются новые результаты.
Уже некоторое время такие эксперименты ведутся и на людях-добровольцах. Иногда эти протезы соединяются со спинальными моторными нейронами пациентов посредством записи электромиограммы, а иногда – и непосредственно с головным мозгом, здесь все зависит от конкретного случая. Например, для управления экзоскелетом оптимальным вариантом может оказаться регистрация миоэлектрических сигналов от мышц рук, туловища и шеи – тут «копаться» в сигналах коры больших полушарий нужды нет. В клинической практике известен случай, когда человек в результате ожогов от удара током потерял обе руки. Тогда нейрохирурги вшили его оборванные нервы рук в большие грудные мышцы и направили электромиограмму этих мышц на протезы рук – и пациент с помощью них неплохо двигал обеими протезами.
А вот работы групп Джона Донахью и Эндрю Шварца во многом близки нашим: сигналы им удалось снимать непосредственно из мозга человека и передавать на роботизированные протезы. Пока что качество этих сигналов не слишком идеально, поэтому, например, Донахью с коллегами использовали исключительно сложную роботизированную систему, способную самостоятельно скоординировать свои движения, а человек лишь отдавал общие, «стратегические» команды.
В широкую медицинскую практику такая инвазивная регистрация активности мозга пока не вошла, но, думаю, это вопрос ближайших лет десяти. Во всяком случае, совершенно ясно, что метод работает, что его можно достаточно быстро и качественно улучшить. В конце концов, кора – самый большой отдел головного мозга человека, и снимать с нее можно практически любые сигналы. Более того, она удивительно пластична, быстро адаптируется под выполнение самых разных задач, даже первоначально ей незнакомых.
– А если говорить о получении сигналов, идущих в обратном направлении? На каких участках и как можно «внедрять» сенсорную информацию взамен сигналов от органов чувств, утраченных или поврежденных?
– Во-первых, можно стимулировать сенсорные нервы, если они сохранились. В этой области самым успешным примером можно назвать кохлеарные протезы для восстановления слуха. Число таких устройств, уже имплантированных пациентам, сегодня достигает примерно 200 тысяч. Если слуховой нерв в той или иной степени сохранился, к нему просто подсоединяют электроды, идущие от микрофонов, ответственных за разные тоны звука, от низких до высоких. В результате люди могут слышать слова, узнавать других по голосу и так далее.
Другой вариант, который, на мой взгляд, станет массовым в ближайшем будущем, – это интерфейсы для восстановления зрения. Скажем, дегенерировавшую сетчатку можно заменить на искусственную и попробовать передавать сигналы с нее на воспринимающие нейроны, либо напрямую стимулировать зрительный нерв. Сложнее будет в случае гибели всего зрительного нерва: тогда уже придется стимулировать непосредственно кору мозга. Но и такие работы уже ведутся. Неплохо картографированы области зрительной коры, получающие сигналы от разных частей сетчатки, и показано, что электродами можно их стимулировать. Пока таким способом удается создавать лишь иллюзорные вспышки, но и с их помощью можно передавать буквы и даже несложные зрительные образы. Полагаю, в дальнейшем качество передачи такой информации будет расти.
– Насколько для этих практических задач полезны работы именно вашей команды?
– Надо сказать, что руководитель нашей лаборатории, профессор Мигель Николесис, свои работы в этой области начал с крыс. Еще в 1990-х годах он поставил задачу записать информацию из разных областей соматосенсорной коры, охватив ее всю: и кору больших полушарий, и таламус (небольшая область, в которой происходит первичная обработка всей сенсорной информации, кроме сигналов от органов обоняния, после чего она распределяется по остальным частям мозга – NS), и т. д. Одновременно с этим информация снималась и с периферических сенсорных нейронов – так что в результате Мигель получил очень интересные результаты, которые серьезно подтолкнули всю эту область исследований.
Затем было решено перейти к работе на другой модели, на обезьянах. Это животные несравненно более умные, позволяющие получить больше интересных результатов и более адекватно развивать исследования в направлении интерфейсов «мозг – машина». Примерно с этого момента, где-то с 2002 года, к этой работе подключился и я. Мы занимались сигналами мозга обезьяны, которые управляют движениями рук, а также ног при ходьбе… Вскоре мы развили тему в сторону интерфейсов с обратной связью, при которой искусственная рука не только подчинялась командам, полученным от мозга, но и передавала определенные сигналы обратно в мозг. Например, она ощупывала различные предметы, сообщая те или иные их тактильные характеристики.
Практически каждая из наших статей была передовой, все эти эксперименты проводились впервые, а уже после публикации коллеги из лабораторий по всему миру подхватывали работу, находя разные способы практического развития и применения этих результатов. Ведь мы работаем все-таки на обезьянах, поэтому прямого выхода в клиническую практику у наших исследований нет, необходимо сделать еще несколько важных шагов. И тем не менее все последующие опыты на людях, в том числе и с сенсорной обратной связью, опирались на наши результаты.
– Кажется, одно из ключевых слов, которыми можно описать ваши исследования, – это «экстравагантные». Какие эксперименты вашей группы вы бы назвали самыми экстравагантными, самыми неожиданными и громкими?
– Наша область развивается исключительно быстро, поэтому даже те опыты, которые сегодня выглядят вполне очевидными и широкого внимания уже не привлекают, для своего времени были и громкими, и экстравагантными. Например, сотрудником нашей лаборатории Эриком Томпсоном были проделаны интересные эксперименты по прямому подключению нейронов сенсорной коры мозга крысы к инфракрасному датчику. В результате животное обрело «суперсилу» – возможность видеть свет в новой для него ИК-части спектра.
Много шума наделала работа, в ходе которой мы имплантировали в мозг обезьяны микроэлектроды, которые позволили ей управлять роботом буквально «силой мысли». Животное хваталось рукой-манипулятором за предмет (например, банан), хотя могло находиться и в другом штате… А два года назад Мигель Паис-Виера, находившийся в США, и Каролина Куники, находившаяся в Бразилии, соединили мозги двух крыс на расстоянии многих тысяч километров друг от друга. Американская крыса получала сенсорные сигналы из мозга бразильской и реагировала так, словно «читала» ее мысли.
Надо сказать, что в природе крысу, конечно, никто никогда не стимулирует электродами и для нее это весьма необычное переживание. Для мозга это совсем не то же самое, что сигналы, поступающие от собственной нервной системы. Ему необходимо обучиться воспринимать и интерпретировать эти «голоса в голове». Поэтому предварительно грызунов тренируют, чтобы научить распознавать такую стимуляцию.
– Постановка таких экспериментов выглядит по-настоящему экстравагантной. Но когда вы планируете их, на что ориентируетесь больше – на поиск серьезных научных результатов или на попытку сделать нечто эдакое, нечто удивительное, чего еще никто никогда не делал?
– Тут есть и то, и другое. Мы стараемся и получить новые данные, и попробовать что-нибудь удивительное. Хотя всегда свою роль играют самые разные факторы. Например, когда мы связывали обезьяну с роботом в Японии, нам требовался самый совершенный шагающий робот, который нашелся именно у наших японских партнеров. У нас был самый совершенный на то время интерфейс «мозг – машина», у них – самый лучший шагающий робот… Поэтому они и соединились так удачно.
На примере этой работы видна и практическая направленность наших экспериментов. Ведь паралич нижних конечностей – довольно распространенная медицинская проблема, которая может развиваться в результате повреждений спинного мозга. Поднять таких людей с инвалидных кресел – весьма актуальная задача, решению которой поможет, в том числе, и наш «экстравагантный» эксперимент с шагающим роботом и головным мозгом обезьяны.
Так что, если всмотреться, то во всех наших работах, несмотря на всю их сенсационность, всегда присутствуют эти два компонента: во-первых, изучение фундаментальных механизмов работы мозга и нервной системы в целом, а во-вторых, вполне практическая, медицинская направленность, связанная с созданием интерфейсов «мозг – машина» и «мозг – мозг».
– Какие же фундаментальные находки удалось сделать?
– В этом смысле важно обозначить еще один момент. Нейрофизиологические исследования ходьбы (как правило, эксперименты проводятся на четвероногих животных) продолжаются уже больше ста лет, и традиционно основные усилия в этой области сосредоточены именно на спинном мозге, на водителе ритма, который координирует соответствующие движения и ног, и всего тела. Для профессионалов, которые работают над этой проблемой, сама постановка вопроса – управление ходьбой за счет лишь головного мозга, минуя спинной, – в то время казалась чем-то почти еретическим. Но нам удалось доказать, что это не только возможно, но и полностью реализуемо. Это была важная демонстрация в поддержку нового подхода.
До того эксперимента вообще не было ясно, насколько кора головного мозга связана с движениями ног при ходьбе. Мы выяснили, что происходит при этом и в моторной, и в соматосенсорной коре, – ранее никто ничего подобного не делал.
Конечно, нам было понятно, что в целом все соответствует классическим представлениям о сенсорном и моторном «гомункулусах». Если вы имплантируете электрод ближе к макушке головы, вы попадете в нейроны, связанные с нижними конечностями. Если сместитесь в сторону, там будет представлено туловище, затем – руки, лицо, рот и так далее. До некоторой степени эти взгляды справедливы – но лишь до некоторой. Внимательные исследования – в том числе и наши – показали, что любое движение активирует нейроны практически всех частей и отделов мозга. Вы можете двигать руками, и при этом определенное возбуждение можно будет зарегистрировать даже в областях, связанных с движениями ног… Это вполне логично: ведь наше тело – это единое целое, и даже если вы двигаете рукой, остальные части должны компенсировать это движение.
Более того, не стоит думать, что мозг устроен на манер блоков компьютера: есть моторная кора, управляющая движением, а есть сенсорная, занятая лишь получением и обработкой информации от чувствительных нейронов. Это упрощенное книжное описание. На деле мы, снимая активность мозга, не видим большой разницы между активностью моторной и сенсорной коры. В записи их даже трудно отличить – мозг работает как единое и динамическое целое. Нельзя сказать, что, мол, «такая-то отдельная область мозга почувствовала то-то»: любая активность охватывает его целиком.
– То есть если я сейчас, сидя и не глядя на руку, слегка приподнимаю ее, то активность возникает и в участках моторной коры, связанных с ногами, и даже в сенсорной коре?..
– Разумеется. Даже если ваше движение будет происходить автоматически, оно задействует обширные области мозга и коры больших полушарий. Ваше подсознание постоянно создает трехмерную модель вашего тела, его положения в пространстве и положения его частей относительно друг друга (так называемую «схему тела»). Актуальность этой модели постоянно поддерживается, и эта работа вовлекает множество нейронов из самых разных областей.
Мозг делает это помимо вашей сознательной воли, в том числе и за счет работы коры. И хотя принято считать, что кора больших полушарий – это обязательно некоторая сознательная деятельность, некие сложные когнитивные процессы, – на самом деле кора участвует в самых разных процессах, в том числе и базовых, бессознательных… Мозг остается активен и во сне, в особенности в периоды сновидений. Когда мы спим и переживаем что-то в сновидении, возбуждение охватывает соответствующие участки нашего мозга, хотя в целом распространяется очень широко. Теоретически эту активность можно зарегистрировать – и узнать, какие именно движения грезятся спящему. Более того, испытуемый может просто сидеть и воображать движение, скажем, рукой, а мы его распознаем. В реальности рука останется неподвижной, но мысли об этом движении будут «видны».
Мозг воображающий и мозг действующий работают похожим образом, просто в первом случае в нервной системе срабатывает некий блок, тормозящий механизм, который не позволяет этой активности передаваться на моторные нейроны и мускулы. Где именно расположен этот блок и как он устроен, не до конца непонятно, это остается одной из интереснейших проблем науки. Записать моторный сигнал можно и в головном мозге, и даже в спинном на уровне интернейронов, но при этом части тела будут оставаться неподвижными.
Возможно, торможение, предотвращающее ненужные движения, происходит понемногу на всех этапах передачи сигнала, так что, когда нам надо лишь подумать о действии, но не совершить его, до «конечных получателей» сигнал просто не доходит. Такое распределенное торможение – наиболее вероятная гипотеза: в нервной системе практически все процессы организованы именно так, распределенно, без каких-либо «главных кнопок» и «переключателей».
– Давайте вернемся к работе вашей лаборатории. Медицинские приложения – это вполне понятно и достойно… но для каких целей вы начали соединять мозги обезьян «напрямую»?
– Я уже говорил, что мы всегда стараемся быть на полшага впереди, быть пионерами в своей области. И поэтому, когда ситуация с обменом информацией между мозгами назрела, мы решили действовать: рано или поздно такую работу кто-то должен был проделать.
Помните, года два назад мы соединяли мозги двух крыс? Тогда одно животное на основе своей сенсорной информации решало несложную задачку – это был простейший выбор: повернуть налево или направо. Его решение передавалось второй крысе, которая никаких других сигналов не получала, то есть использовалась команда «извне». Каждое такое успешное взаимодействие сопровождалось наградой, так что система из двух животных быстро совершенствовалась и они передавали информацию все лучше и лучше.
Ну а затем мы стали думать, как проделать аналогичную работу на обезьянах, и я предложил использовать несколько иную систему, которую назвал «мозг плюс мозг». Информация с нескольких мозгов может суммироваться, позволяя нам эффективнее считывать нужный сигнал и избавляться от шумов. Так началась недавняя работа.
В общей сложности было поставлено три эксперимента. В первом две обезьяны сообща управляли искусственной рукой, сигналы для которой представляли собой просто сумму сигналов, которые мы считывали у них. Действительно, это позволило нам лучше снимать информацию, устранять шумы – и в итоге подавать более точные команды на виртуальную руку.
Во втором эксперименте каждая обезьяна управляла лишь одной координатой: первая обезьяна координатой X, а вторая – координатой Y. Здесь улучшение контроля достигалось за счет того, что задача для индивидуального участника упростилась. Надо сказать, что обезьяны довольно быстро адаптировались к этой нестандартной ситуации, со временем мозг полностью переключался на контроль «своей» координаты, а вместе они управляли манипулятором еще эффективнее, чем когда одновременно решали одну и ту же задачу. Убедившись, что система «мозг плюс мозг» работает, мы начали третий эксперимент. Для каждого из участников этой игры задача, как и во втором эксперименте, была упрощена: управление было распараллелено, так что одна обезьяна контролировала перемещения руки по осям Х и Y, вторая – X и Z, третья – Y и Z, и лишь общими усилиями они могли адекватно управлять движениями виртуальной руки во всех трех измерениях. Таким образом, каждая из обезьян контролировала движения по двум измерениям из трех. О задаче в целом ни одна из них и понятия не имела – каждая занималась чем-то своим, – но вместе они ее решали, и делали это весьма эффективно.
Кстати, если мы представим, что когда-нибудь в будущем такое «распараллеливание» задач удастся произвести для людей, делегировав каждому небольшую и несложную часть проблемы, вместе они смогут выполнять то, на что каждый отдельный мозг попросту неспособен. Что-нибудь такое, что человеку как таковому, как индивиду, недоступно в принципе.
Несмотря на всю фантастичность, думаю, что рано или поздно наши работы найдут применение на людях. Можно прогнозировать, например, использование интерфейса «мозг плюс мозг» в медицинских целях. Представьте себе работу физиотерапевта, помогающего пациенту восстанавливать движения после травмы или другого поражения нервной системы. Он «ловит» движения человека, неловкое начало этих движений, помогая ему закончить начатое… И если бы удалось «соединить» нервные системы терапевта и больного, эта работа наверняка была бы более эффективной.
– Мысль может показаться совсем уж фантастической – но скажите, не собираетесь ли вы соединять разные виды? Скажем, тех же крыс с теми же обезьянами.
– Кстати, да, это я тоже уже предлагал сделать. Крыса хороша «на арене», «в поле» – это такой безупречный и отлично управляемый исполнитель, особенно если дополнительно стимулировать у нее «зону удовольствия», добиваясь нужного поведения.
В сравнении с крысой обезьяна существо намного более умное, и контролировать ее сложнее: получая сигналы неизвестно откуда, она все время пытается думать, что с ней не так. Зато в качестве «управленца» обезьяна куда эффективнее крыс – фактически, крыса для нее может стать чем-то вроде курсора. Но и вместо крысы можно использовать кого-нибудь попроще, например, рыб. Возможно, когда-нибудь и такая работа будет сделана: теоретически, так можно создать хоть целую армию управляемых крыс…
– …И захватить мир?
– Ну, простор для фантазии тут почти бесконечен, необязательно сразу захватывать. Можно, например, «соединить» – до определенной, конечно, степени – мозг домашнего животного и его хозяина, и вернуть убежавшую собаку домой или просто общаться со своим любимцем напрямую.
– Однако расшифровкой и интерпретацией этих сигналов вы не занимаетесь и не интересуетесь? Получается, что вы лишь считываете информацию из одного мозга, выделяете сигнал и передаете на другой мозг или на компьютер. А все происходящее в самом мозге остается как бы в черном ящике?
– Во многом это так: мы снимаем сигнал, мы его выделяем и декодируем, но лишь на уровне корреляций. То есть если мы видим, что такой-то сигнал коррелирует с движением руки в такую-то сторону, мы можем констатировать, что такой-то нейрон разряжается при таком-то движении. Подобная корреляция еще не гарантирует зависимости. Поэтому точно сказать, что именно делает тот или иной нейрон в общей системе, мы не можем. Но понемногу наша работа приближает и это понимание. Ящик, конечно, черный, к тому же залезаем мы в него все глубже и глубже…
