Scienty

Нейроинтерфейсы, также известные как интерфейсы «мозг — компьютер», предоставляют возможность управления программами, экзоскелетами, протезами и виртуальными аватарами при помощи мысли. Такая тренировка мозга способствует восстановлению пациентов, перенесших инсульты и получивших другие повреждения нервной системы. Однако появление этих передовых технологий немыслимо без проведения базовых исследований в области нейробиологии.

В настоящее время российской группой ученых реализуется проект, получивший поддержку грантом Некоммерческого фонда развития науки и образования «Интеллект». Ожидается, что итоги исследований позволят разработать нейроинтерфейс, основанный на мысленном воспроизведении тактильных ощущений, для реабилитации людей, страдающих от нарушений чувствительности и двигательных функций. Как проводятся исследования биологических механизмов, лежащих в основе представления движений и прикосновений? Какие результаты уже доступны? Каковы возможности для дальнейшего развития проекта? Рассказывает победитель конкурса молодых ученых МГУ фонда «Интеллект», аспирант лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ Андрей Алексеевич Мирошников .

— Основная задача исследования, поддержанного фондом «Интеллект», заключается в выявлении областей коры головного мозга, где фиксируется активность, обусловленная мысленным моделированием движений и тактильными ощущениями. Какие методы применяются в ходе этих работ и кто участвует в качестве добровольцев?

— Для проведения исследования применяются общепринятые методы, характерные для нейрофизиологии, такие как электроэнцефалография ¹, спектроскопию в ближней инфракрасной области и магнитно-резонансную томографию ². Она обеспечивает точную и персонализированную идентификацию областей коры головного мозга, вовлеченных в наблюдаемые изменения.

Для оценки того, как изучаемые явления проявляются у людей без отклонений от нормы, в исследование вовлекаются здоровые молодые люди. Мы периодически объявляем о наборе новых добровольцев. Фактически, вы тоже можете стать участником нашего исследования.

Предполагается проведение сопоставимого исследования и среди пациентов, перенесших повреждения нервной системы вследствие инсультов или черепно-мозговых травм.

— Ваши исследования в первую очередь пригодятся для разработки нейроинтерфейсов, использующих искусственный интеллект, которые помогут в лечении и восстановлении пациентов с нарушениями двигательной функции. Объясните простым языком, как будет функционировать и в каких устройствах может быть применена система «мозг — компьютер», основанная на распознавании мысленных представлений движений и тактильных ощущений.

— Принцип работы интерфейса «мозг — компьютер», основанного на тактильном, моторном или сенсомоторном воображении, можно упрощенно представить как устройство, фиксирующее мозговую активность, соответствующую сенсомоторной задаче, которую представляет человек. Активность, связанная как с тактильным, так и с моторным воображением, поддается классификации с приемлемой, хотя и не идеальной, точностью. Полученные данные классификации нейронной активности могут служить входными данными для различных машин или компьютерных программ. В качестве примера можно привести аватар руки на экране, который в ответ на успешное представление будет двигаться или иным способом демонстрировать, что человек воображает стимуляцию конечности.

Восстановление утраченных функций, например, после инсульта или других повреждений нервных клеток, обусловлено нейропластичностью. Это сложная и многогранная тема, но, упрощая, нейропластичность можно определить как формирование новых нейронов и перестройку участков коры головного мозга, отвечающих за определенные виды деятельности. Например, если у пациента наблюдается потеря двигательных или тактильных функций, то благодаря мысленным упражнениям, представляющим собой активацию соответствующих путей в мозге, происходит стимуляция тех же областей, что и при реальных тактильных ощущениях или двигательных действиях.

Идеи, касающиеся понимания сенсомоторного воображения, в особенности моторного аспекта, разрабатываются уже продолжительное время. К примеру, когда человек мысленно сжимает руку в кулак, соответствующий экзоскелет или виртуальный аватар руки (или другой элемент в системе взаимодействия человека и машины) реагирует на сигнал мозга, выполняя заданное действие.

Будущее внедрение классификатора и способ предоставления обратной связи пользователю напрямую зависят от достигнутых результатов. Если говорить о доступных клинических инструментах, которые потенциально могут быть применены в терапии, то наиболее простым, но действенным вариантом может стать отображение аватара руки на экране.

Было бы замечательно — и это весьма сложная задача — создать протез или другую механическую конструкцию, способную передавать обратную связь, например, через управление движением руки с помощью экзоскелета или тактильной стимуляции. Однако это требует значительных технологических ресурсов, и для решения этой задачи потребуется привлечение инженеров, техников и специалистов в области робототехники. В случае успешного завершения наших исследований, станет возможна реализация подобных решений. В настоящее время мы сосредоточены на проведении преимущественно теоретических и фундаментальных исследований.

— Какие двигательные расстройства подходят для вашей технологии? Она больше ориентирована, например, на последствия инсультов или, возможно, на определенные травмы, или на оба этих случая?

— В первую очередь речь идет о нарушениях, спровоцированных повреждениями нервной системы. К ним относятся инсульт, травмы головы различной степени тяжести, патологии спинного мозга или нейропатии в конечностях – то есть повреждения периферической нервной системы. Полный перечень этих состояний назвать затруднительно, поскольку они имеют разнообразные причины возникновения. Однако я надеюсь, что наше решение окажется достаточно универсальным, так как при реабилитации после поражений нервной системы принципы нейропластичности, связанные с умственной тренировкой, хорошо применимы и могут быть использованы в различных ситуациях, независимо от характера этих нарушений.

— Какие итоги были достигнуты к настоящему моменту?

— В 2024 году осенью была опубликована наша первая научная статья, посвященная регистрационному исследованию. В ходе работы мы применили метод функциональной спектроскопии ближней инфракрасной области и продемонстрировали, что тактильное и моторное воображение имеют различную природу, поскольку характеризуются разными моделями нейронной активности. По всей видимости, ранее подобный результат получали коллеги из Южной Кореи, однако они использовали другой метод — функциональную МРТ. Этот подход существенно отличается от спектроскопии: для проведения исследования испытуемый помещается в «трубу» аппарата МРТ. Это не вполне экологично ( не вполне комфортно и естественно для человека. — Примеч. корр. ), что обусловлено высоким уровнем издаваемого шума.

Поскольку данное исследование проводилось более двух десятилетий назад, оно имело большое значение для определения местоположения исследуемых областей коры головного мозга. Однако при разработке нейроинтерфейсов предпочтительно, чтобы эти решения обеспечивали оперативную реакцию, позволяющую пользователю взаимодействовать с системой, находясь в кресле, а не внутри томографа.

Несмотря на достигнутые успехи в ходе исследования, стоит указать, что функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области не позволяет обеспечить высокую скорость обратной связи. При этом, чем оперативнее предоставляется отклик, тем более естественным и плавным становится взаимодействие между человеком и машиной. Именно поэтому мы отдаем предпочтение ЭЭГ, поскольку она характеризуется более высокой скоростью обратной связи, большей частотой дискретизации и лучшим временным разрешением. Однако, следует учитывать, что этот метод обладает худшим пространственным разрешением, что обусловлено его особенностями.

Несмотря на это, в ноябре и декабре 2024 года мы формировали группу испытуемых для проведения исследований с использованием многоканальной электроэнцефалографии (ЭЭГ), включавшей 128 каналов. Для каждого участника также выполнялись индивидуальные снимки магнитно-резонансной томографии (МРТ), проводилось анкетирование и изучалось большое количество экспериментальных состояний. Кроме того, мы длительное время разрабатывали специальное устройство для передачи тактильных ощущений конечностям испытуемого во время моторного или тактильного воображения. В итоге получился многогранный и концептуально сложный эксперимент.

В настоящее время я занимаюсь анализом полученных данных. Предварительные результаты выглядят вполне ожидаемо и обнадеживающе. Это позволяет предположить, что выдвинутые нами ранее гипотезы, сформулированные на этапе планирования эксперимента, получат подтверждение. Впереди еще большой объем работы, однако исследование развивается в соответствии с намеченным планом.

— Объясните, пожалуйста, более подробно принцип работы инфракрасной спектроскопии при исследовании мозга.

— Это важный вопрос. По сравнению с электроэнцефалографией (ЭЭГ), метод инфракрасной (ИК) спектроскопии развивается относительно недавно, примерно 30–40 лет. Принцип его работы весьма любопытен. Во время различных нейрональных процессов, при мозговой активности, клетки мозга, нейроны, испытывают повышенную метаболическую потребность: им необходимо больше кислорода для окисления глюкозы и получения энергии. Это приводит к увеличению притока насыщенной кислородом крови к областям мозга, демонстрирующим более высокую метаболическую активность вследствие повышенной работы. Данное явление известно как нейроваскулярный сочленение или нейроваскулярный каплинг (от англ. coupling — «сопряжение»).

С помощью методов спектроскопии можно проанализировать изменения метаболических потребностей. Этот подход основан на определении того, как вещество изменяет поглощение излучения в различных спектральных диапазонах. Известно, что гемоглобин, отвечающий за перенос кислорода в крови, демонстрирует различные спектры поглощения в зависимости от своего состояния: оксигенированного (связанного с кислородом) и дезоксигенированного (освободившего кислород). Таким образом, можно оценить изменение концентрации оксигенированного и деоксигенированного гемоглобина в кровотоке и, следовательно, понять, что определенный участок коры головного мозга нуждается в большем количестве крови, насыщенной кислородом, и, соответственно, активно участвует в текущих процессах.

Применив данный подход, мы определили, что повышенная потребность в кислороде (и, как мы полагаем, более высокая нейрональная активность) во время двигательного представления концентрируется в постцентральной и прецентральной извилинах коры. Эти области отвечают за двигательную и тактильную активность, что закономерно, поскольку движение включает в себя тактильный аспект, служащий подтверждением успешного выполнения действия. Например, при движении руки или прикосновении к объекту мы получаем обратную связь в виде тактильного ощущения. В то же время, тактильное воображение демонстрирует значительно меньший выраженный моторный компонент (связанный с прецентральной извилиной.

— Не могли бы вы предоставить более детальную информацию о текущем исследовании и его результатах? Каким образом оно проводилось?

— Это был сложный процесс. Прежде всего, мы потратили значительное время на создание тактильного стимулятора. Необходимо было обеспечить, чтобы устройство выдавало только точно выверенные тактильные сигналы и обладало эргономичным дизайном, то есть было удобным в использовании. Кроме того, много времени потребовалось на проектирование эксперимента. Нужно было определить экспериментальные условия таким образом, чтобы участник не испытывал усталость во время тестирования, поскольку это не только неэтично, но и оказывает существенное влияние на достоверность полученных результатов. Уставший испытуемый не может продемонстрировать себя так же эффективно, как человек, только что пришедший на добровольную основу.

У нас было в распоряжении широкий набор параметров для проведения анализа. К примеру, спектральная область, которая отражает изменения в колебаниях ритмов головного мозга ( изменениями электрической активности нейронов, характерными для определенных состояний любого человека. — Примеч. корр. ). Вероятно, вам знакомы понятия альфа-ритм, гамма-ритм и другие подобные. Речь пойдет именно об этом. Возможна оценка изменений этих ритмов в зависимости от происходящих в головном мозге процессов.

В области нейрофизиологии также изучаются вызванные потенциалы – это быстрые, мгновенные реакции головного мозга, возникающие в ответ на конкретное событие. К примеру, при тактильном воздействии в мозге формируются специфические сенсорные вызванные потенциалы, проявляющиеся в течение 100 миллисекунд. Заслуживает внимания изучение изменений их параметров.

Считается, что проявления, связанные с тактильным и двигательным воображением, отличаются стабильностью, то есть их изменчивость невелика. Однако способность к представлению, и особенно к фантазии, прежде всего, весьма индивидуальна, а во-вторых, в значительной степени обусловлена опытом. У некоторых людей воображение включается быстро и эффективно, что проявляется в четкой мозговой активности. В иных случаях испытуемый может хорошо представлять, но мозговая активность не фиксируется из-за анатомических особенностей, например, из-за толстого черепа или специфического расположения областей коры, что затрудняет качественную запись сигналов. Или, например, человек успешно представляет моторные действия, но испытывает трудности с тактильными ощущениями. Подобных ситуаций немало, но мы стремимся учитывать все эти факторы. В ходе наших исследований проводятся тренировочные сессии, на которых мы объясняем участникам принципы испытаний и даем им задания: потренироваться, найти моторные и тактильные образы, которые им лучше всего удается представлять. Помимо этого, мы опрашиваем добровольцев для оценки их общего уровня способностей к тактильному и двигательному воображению.

— Верно ли я понимаю, что зоны коры головного мозга, отвечающие за воображение и реальные ощущения, находятся в одних и тех же областях?

— Я бы не назвал это совпадением. Правильнее будет сказать, что они в значительной степени пересекаются.

И воображаемые образы, и реальный опыт, основанный на движениях и прикосновениях, активируют одни и те же нейронные ансамбли (группы нервных клеток). Если говорить упрощенно, в мозге существует так называемая сенсомоторная зона, включающая моторную и сенсорную кору. Эти области располагаются рядом друг с другом и тесно связаны функционально. Существует немало данных (особенно в отношении моторного воображения), указывающих на то, что области мозга, активирующиеся при представлении движений и при их выполнении, существенно совпадают.

В данном случае ситуация оказывается достаточно сложной, однако при определении области с наиболее выраженной корреляцией активности, это, как правило, сенсомоторная зона. В основе работы нейроинтерфейсов, связанных с воображением, лежат схожие паттерны нейронной активации. Именно это и обуславливает терапевтический эффект: во время воображения в мозге разворачивается процесс, аналогичный тому, что сопровождает реальное движение. И хотя пациент не способен двигаться, активация сходных групп нейронов стимулирует реабилитацию посредством нейропластичности.

— Возможно ли, что разрабатываемая вами технология в перспективе позволит осуществлять перевод мыслей в текст, что, в упрощенном виде, можно интерпретировать как чтение мыслей?

— На мой взгляд, чтение мыслей в ближайшем будущем не представляется возможным, поскольку, как мне кажется, это чрезвычайно деликатная и сложная область. Повторно возникает вопрос: что мы понимаем под чтением мыслей и каким результатом будем удовлетворены? Например, определить, о чем человек думает, когда двигает правой рукой, я, в принципе, способен сделать уже сейчас с помощью имеющихся методов, и при этом с достаточно высокой степенью точности. Если вы считаете это чтением мыслей, то можно констатировать, что мы в некоторой степени способны это делать. Если же речь идет о возможности понять, о чем человек думает, например, о белой обезьяне, то, по моему мнению, это, скорее, маловероятно.

— Проводились ли ранее подобные исследования в отечественной или зарубежной науке, в том числе с применением аналогичных методов?

— Изучение моторного воображения проводилось с применением разнообразных подходов, включая использование нейроинтерфейсов и методы, не требующие их. По данной проблеме существует значительное количество научных публикаций.

Тактильное воображение представляет собой весьма интересная сфера для изучения, поскольку способность ощущать прикосновения нередко нарушается у людей после инсультов и других повреждений нервной системы. Тем не менее, этому направлению уделяется меньше внимания в научных исследованиях. Преимущественно такие работы сосредоточены на локализации нейронной активности с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Как правило, испытуемого помещают в аппаратную, и, на мой взгляд, трудно представить, как такой метод может быть сопряжен с технологиями нейроинтерфейсов. Существуют отдельные исследования, использующие электроэнцефалографию для изучения тактильного воображения – например, этим занимается группа ученых в Китае, которых можно назвать нашими конкурентами. Не хочу делать негативных оценок в отношении китайских коллег, однако, по моему мнению, их результаты выглядят несколько необычно, и я лично считаю их выводы недостаточно убедительными.

К счастью, мы не являемся единственными, кто пришел к такому выводу. Я надеюсь, что это действительно так, поскольку наличие других исследований свидетельствует о том, что мы движемся в верном направлении и выбранная нами область исследований имеет важное значение.

Мы стремимся к достижению наилучших результатов. Если наши коллеги уже работали в данном направлении, мы изучаем их опыт и стараемся провести исследование более корректным с точки зрения методологии, применяя более эффективные методы и решения. Так, не так давно у наших китайских коллег также была опубликована статья об исследованиях с использованием высокоплотной ЭЭГ ( Электроэнцефалография с применением большого количества электродов. — Примеч. корр. ), но они не проводили индивидуальную магнитно-резонансную томографию участников исследования. Без индивидуальных МРТ-снимков сложно говорить о точной локализации, так как в данном случае изучается некий усредненный «коллективный мозг», включающий всех участников эксперимента. По моему мнению, такой подход не вполне корректен.

Хотя мы и не являемся единственными, кто проводит подобные исследования, наше исследование обладает своей неповторимостью. В России лишь немногие специалисты занимаются подобными изысканиями.

— Какое количество людей задействовано в вашем исследовании? Ограничены ли они сотрудниками Московского университета, или в проекте также участвуют ученые из других высших учебных заведений и исследовательских организаций? Какие области знаний необходимы для осуществления проекта?

— Обстоятельства сложились так, что наши исследования включают несколько лабораторий. Как я уже упоминал, в нашей статье, посвящённой этой работе, представлено множество соавторов ( мест работы авторов. — Примеч. корр. ). На первом месте, естественно, МГУ, также в работе участвовали исследователи из Сколковского института науки и технологий, Центра нейротехнологий и искусственного интеллекта на базе БФУ. Среди авторов — и наши коллеги из МЭГ-центра ( В нейрокогнитивном исследовательском центре, оснащенном уникальной в России системой магнитоэнцефалографии, — примечание корреспондента. ) Московского психолого-педагогического университета, при этом они также работают в МГУ. В целом наша лаборатория поддерживает тесные связи, в том числе со Сколтехом и БФУ. Особенно значительный вклад в последнее исследование внесли коллеги из Сколтеха.

Иногда приходится применять весьма необычные способности. К примеру, при создании тактильных стимуляторов и другого оборудования, приходилось обращаться к знаниям электротехники: оказалось, умение паять – полезный навык и для нейроученого. На мой взгляд, привлекательная особенность науки заключается в том, что она стимулирует развитие: постоянно возникает необходимость в обучении, причем это может быть лишь косвенно связано с профессиональной деятельностью. Я не предполагал, что освою паечные работы, сборку и чтение схем, но в силу обстоятельств приобрел эти умения.

Беседа была осуществлена при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации