Постинсультные больные получат экзоскелет, управляемый силой мысли

Ученые Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н.И. Пирогова приступили к созданию устройств по реабилитации постинсультных больных. Речь идет о специальных тренажерах по активации пластичности мозга, в состав которых входит роботизированный экзоскелет, управляемый через интерфейс «мозг-компьютер».

С помощью создаваемого интерфейса «мозг-компьютер» (ИМК) ученые надеются управлять внешними устройством на основе преобразования сигналов мозга пациента без использования мышечных усилий. В целом это направление активно развивается после Второй мировой войны. По словам опрошенных специалистов, еще в середине 1950-х годов советские ученые Виктор Гурфинкель и Арон Кобринский независимо друг от друга первыми сделали экзопротезные устройства.

— Около 80% людей, пострадавших от инсульта (ежегодно 400 тыс. новых случаев среди россиян), испытывают нарушения двигательных функций, и только примерно у 20% из них происходит хотя бы их частичное восстановление в несколько последующих месяцев. Примерно 50% продолжают оставаться инвалидами, не способными к самостоятельной жизни, — рассказывает руководитель отдела нейрокомпьютерных интерфейсов РНИМУ имени Н.И. Пирогова, профессор Александр Фролов. — У человека утрачивается способность управления мышцами. Но проблема не в том, что у него испортились мышцы, а в том, что произошло нарушение управления мозгом мышцами руки или ноги. Тем не менее, если тренировать пораженную руку, в мозгу происходят пластические перестройки, которые позволяют восстановить способность управления. Большинство современных реабилитационных процедур направлены на интенсификацию тренировки таких конечностей: целенаправленные повторяющиеся движения запускают пластические механизмы мозга, направленные на восстановление моторной функции. Но все существующие методы нейрореабилитации требуют, чтобы у конечности оставалась хотя бы минимальная двигательная активность. В случае полного отсутствия способности к движению единственным способом активации пластической перестройки мозга является использование ИМК.

В рамках данного проекта ученые развивают два направления исследований: разработка нейротренажеров без хирургического вмешательства и с вживлением датчиков. Второй вариант («инвазивный ИМК») подразумевает, что сигналы электрической активности мозга поступают в управляющий компьютер непосредственно с имплантированных электродов. В неинвазивном варианте сигналы считываются с помощью электроэнцефалографии (электрическая активность; пациенту надевают специальную шапочку), ближней инфракрасной спектроскопии (гемодинамическая активность) или других методов.

— Имплант потенциально способен обеспечить более быстрое и качественное управление, работу с более сложными внешними устройствами по сравнению с неинвазивным. Поэтому одним из направлений проекта является отработка на обезьянах разных аспектов создания инвазивных ИМК. В рамках проекта создается макет малогабаритного автономного модуля, монтируемого на черепе обезьяны, который будет осуществлять предварительную обработку сигналов, получаемых от многоканальных имплантированных электродов, и передачу информации внешней системе по радиоканалу. По окончании работы будет создан беспроводный инвазивный ИМК, с помощью которого обезьяна сможет управлять виртуальной реальностью на компьютере или манипулятором. В случае успеха проекта на этих принципах будет разрабатываться миниатюрный модуль для имплантации человеку, который позволит создавать инвазивные ИМК для управления многозвенными протезами или другими техническими устройствами, — пояснил Вадим Рощин, научный сотрудник Лаборатории математической нейробиологии обучения Института высшей нервной деятельности РАН.

Одновременно разрабатывается микромодуль для вживления на череп, его радиоканал работает на той же частоте (2,4 ГГц), что Wi-Fi или Bluetooth, но с более простым протоколом — данные будут передаваться на протезы, то есть можно будет обойтись без проводов к рукам.

Текущий проект по разработке ИМК был начат в 2013 году, помимо РНИМУ им. Н.И. Пирогова, в нем участвуют сотрудники Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Биологического факультета МГУ, Института медико-биологических проблем РАН. Различные направления работы поддержаны грантами Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, Министерством здравоохранения и Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Общий объем финансирования этой ФЦП составляет более 239 млрд рублей, из них более 128 млрд на прикладные научные исследования и экспериментальные разработки гражданского назначения. На первый этап работы с обезьянами, например, потратят 2,8 млн рублей.

В Институте медико-биологических проблем РАН сейчас обучают трех обезьян для управления виртуальными объектами на экране компьютера с помощью джойстика. На первом этапе обезьяне за удачные действия с джойстиком дают сладкий сок — см. видео с участием макаки Фили:

— Пока обучены только две обезьяны, на них и будем отрабатывать наш ИМК, — говорит научный сотрудник лаборатории экспериментальной нейрофизиологии Вадим Рощин. — Для обучения обезьяне, пристегнутой в специальном кресле, предлагается компьютерная игра, в которой она должна попасть в случайно появляющуюся цель шариком, положение которого управляется с помощью джойстика. При попадании обезьяна поощряется порцией вкусного сока. Обезьяны бывают способные и не очень, как и люди. Если они успешно обучаются, через некоторое время они с удовольствием управляют курсором. Позже им будут вживлены электроды и управление будет переводиться на ИМК. Для вживления электродов мы используем щадящую технологию имплантации через микроотверстие в черепной кости — комфортную и практически безвредную для животного. На первом этапе освоения ИМК, когда управление курсором уже будет производиться за счёт декодирования сигналов мозга, отключенный джойстик будет оставлен обезьяне, чтобы не менять привычной обстановки.

В РНИМУ им. Н.И. Пирогова отмечают, что зарубежные исследователи, начав активные работы с 1990-х годов, достигли значительных успехов в развитии инвазивных ИМК и уже есть положительный опыт имплантации такого устройства пациентам с полным параличом. Сообщалось, что исследователи также разрабатывали беспроводные интерфейсы. С 2008 года стартовал международный проекте BrainGate2, в котором участвуют специалисты команды Джона Донахью из Универститета Брауна (США), госпиталя Массачусетса, Гарвардской медицинской школы и немецкого аэрокосмического центра DLR. Однако это пока единичные случаи и до широкого клинического использования инвазивные ИМК пока далеки. К тому же для использования инвазивного ИМК необходима операция по вживлению электродов в мозг и очевидно, что подобные операции будут делать пациентам только в очень тяжелых, крайних случаях.

Модули, которые не требуют хирургической установки, имеют ограничения по информационной емкости, но безопасны и могут использоваться любым человеком, говорит Фролов. Такие системы в России тоже уже существуют, но они пока проводные.

— Сегодня нами созданы экзоскелетные конструкции для тренировки верхних конечностей пациентов после инсульта или травмы. Медицинские исследования эффективности тренажеров, где движениями экзоскелета человек управляет через ИМК на основе электроэнцефалограммы, проводятся в Научном центре неврологии и Московском областном научно-исследовательском клиническом институте им. М.Ф. Владимирского, — отметил Александр Фролов. — Каждый включенный в исследование больной проходит 10 тренировок на тренажере. В ходе каждой тренировки человек сидит перед монитором компьютера, на котором ему дается инструкция вообразить движение рукой. Когда компьютер получает сигнал от мозга, на воображение движения срабатывает экзоскелет. Таким образом, воображение движения подкрепляется по биологической обратной связи.

Ученые РНИМУ надеются, что в будущем такие тренажеры будут доступны для пациентов во многих реабилитационных центрах страны. По их словам, в Японии обычные экзоскелеты (без нейросвязи) пациенты могут брать в аренду и тренироваться дома.

По словам, руководителя лаборатории нейропсихологии и нейрокомпьютерных интерфейсов профессора МГУ Александра Яковлевича Каплана, зарубежные ученые далеко продвинулись в инвазивных методах.

— То есть сверлят дырочки в голове. А у нас пока таких технологий нет. Не потому что мы не можем их освоить, у нас просто нет базы для этого дела. Хирурги не готовы, законодательство не готово, — говорит Каплан. — У нас распространение получил более демократичный неинвазивный подход. Он рассчитан на то, что эти системы и технологии легко производятся, легко снимаются и надеваются. Такие устройства рассчитаны для каждого. Хотя разработчиков у нас немного, они всегда были теоретически сильно подготовлены, поскольку развивали диагностические системы и комплексы на основе регистрации электрических сигналов мозга. Поэтому они легко перешли на нейрокомпьютерные интерфейсы. Такие устройства должны быть доступными по цене, а также легкими в использовании, в том числе в домашних условиях.

Каплан в настоящее время занят разработкой для Минздрава специального нейрокоммуникатора. Это технология, которая позволяет человеку, который потерял способность к речи и способность к движениям, силой мысли буквой за буквой набирать тексты на экране компьютера.