Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

с острым краем микроэлектрода.

История Фила Кеннеди

Прорыва в решении этой проблемы добился Фил Кеннеди (Philip R. Kennedy). Его идея заключалась в том, чтобы втянуть мозг внутрь электрода, чтобы электрод оставался надёжно закреплённым внутри мозга. Для этого он прикреплял концы золотых проводов с тефлоновым покрытием внутри полого стеклянного конуса. В то же крошечное пространство он вставлял ещё один важный компонент: тонкий срез седалищного нерва. Эта крошка биоматериала должна была провоцировать близлежащие нервные ткани втягиваться в конус.

Отпала необходимость вонзать оголённый провод в кору головного мозга. Дизайн стеклянного конуса, казалось, давал невероятные преимущества. Теперь исследователи могли оставлять свои провода на месте на долгое время. В отличие от стеклянных микропипеточных электродов Уорда и Томаса не предполагалось исследовать единичные потенциалы действия отдельных нейронов. Конусы Кеннеди регистрировали электрическую активность небольших участков мозга.

Кеннеди назвал своё изобретение нейротрофическим электродом. Его детище определило всю дальнейшею карьеру Фила Кеннеди в нейробиологии да и судьбу тоже.

Вскоре после своего открытия, он оставил академическую должность в Технологическом институте Джорджии и основал биотехнологическую компанию под названием Neural Signals. В 1996 году, после многих лет испытаний на животных, Neural Signals получила разрешение на имплантацию конических электродов Кеннеди пациентам-людям в качестве последнего шанса помощи тем, у кого не было другого способа двигаться или говорить.

А в 1998 году Кеннеди и его коллега, нейрохирург Эмори Рой Бакей, приняли пациента, который сделал их научными знаменитостями.

52-летний Джонни Рэй перенёс инсульт у основания мозга. В результате он оказался на искусственной вентиляции лёгких, прикован к постели и полностью парализован (за исключением лёгких подергиваний мышц лица и плеча). Он мог ответить на простые вопросы, дважды моргнув – «да» и один раз – «нет».

Поскольку мозг Рэя потерял связь с телом, Кеннеди попытался забраться к нему в голову. Кеннеди и Бакай поместили электроды в первичную моторную кору мозга Рэя, участок ткани, который контролирует основные произвольные движения. Они выбрали идеальное место, предварительно поместив Рэя в аппарат МРТ и попросив его представить, как движется его рука. Затем они установили имплантат в то место, которое наиболее ярко высвечивалось на его снимках фМРТ. Когда конусы были на месте, Кеннеди подключил их к радиопередатчику, имплантированному прямо под скальпом.

Три раза в неделю Кеннеди работал с Рэем, пытаясь расшифровать волны его моторной коры, а затем превратить их в действия. Со временем Рэй научился модулировать сигналы от своего имплантата, просто думая. Когда Кеннеди подключил его к компьютеру, тот смог использовать эти модуляции для управления курсором на экране (хотя и только вдоль линии слева направо). Затем он дёргал плечом, чтобы вызвать щелчок мышью. С такой настройкой Рэй мог выбирать буквы на экранной клавиатуре и очень медленно составлять слова.

Несколько недель спустя Кеннеди представил свои результаты на ежегодной конференции Общества нейробиологии. Этого было достаточно, чтобы «Удивительная история Джонни Рэя» печатающего мысленно разнеслась по всему миру.

Казалось учёный, был на пороге чего-то грандиозного. Но когда он с коллегами в 1999 и 2002 годах установили мозговые имплантаты ещё двум парализованным пациентам, их случаи не продвинули проект вперёд. Разрез одного пациента не закрылся, и имплантат пришлось удалить; болезнь другого прогрессировала так быстро, что «нервные записи» оказались бесполезными. Первый пациент – Рэй умер от аневризмы мозга осенью 2002 года.

Тем временем, другие лаборатории сообщали о прогрессе с мозговым управлением протезами, но они использовали техники отличные от конусов Кеннеди, как правило, небольшие микрочипы в несколько квадратных миллиметров площади и с десятками голых проводов, торчащих вниз в мозг. В войне форматов электроды выглядели устаревшими: жизнеспособная, многообещающая технология, которая в конечном итоге не прижилась.

От других учёных, работающих над интерфейсами мозг-компьютер Кеннеди отличало не только оборудование. Большинство его коллег было сосредоточено на прототипе нейроуправляемого протеза, который щедро финансировал Пентагон: имплантат, который поможет пациенту (или раненому ветерану) использовать протезы конечностей. К 2003 году лаборатория Университета штата Аризона поместила в мозг обезьяны набор имплантатов, которые позволили животному поднести кусочек апельсина ко рту с помощью управляемой разумом роботизированной руки. Несколько лет спустя, исследователи из Университета Брауна сообщили, что два парализованных пациента научились использовать имплантаты для управления руками роботов с такой точностью, что можно было сделать глоток кофе.

Но Кеннеди гораздо меньше интересовали роботизированные руки, чем человеческие голоса. Ментальный курсор Рэя показал, что запертые в себе пациенты могут делиться своими мыслями через компьютер, даже если эти мысли текут, как смола, со скоростью три символа в минуту. Что, если бы Кеннеди смог создать интерфейс мозг-компьютер, сигнал которого плавно передавался бы, как речь здорового человека?

Во многих отношениях Кеннеди принял гораздо более серьёзный вызов. Человеческая речь намного сложнее любого движения конечности. То, что нам кажется основным действием – формулирование слов – требует скоординированного сокращения и расслабления более 100 различных мышц, от диафрагмы до мышц языка и губ. Чтобы построить рабочий речевой протез, подобный тому, что представлял Кеннеди, учёный должен был найти способ прочитать всю сложную оркестровку вокального языка на выходе нескольких электродов.

И вот в 2004 году, Кеннеди попробовал что-то новое, когда он вставил свои имплантаты в мозг последнего пациента, молодого человека по имени Эрик Рэмси. На этот раз Кеннеди и Бакай не размещали конические электроды в той части моторной коры, которая контролирует руки и кисти. Они протолкнули провода дальше – в тот участок мозга, который посылает сигналы мышцам губ, челюсти, языка и гортани.

Используя это устройство, Кеннеди научил Рэмси воспроизводить простые гласные звуки с помощью синтезатора. Но Кеннеди не мог знать, что на самом деле чувствовал Рэмси или что именно творится у него в голове. Рэмси мог отвечать на вопросы типа «да-нет», двигая глазами вверх или вниз, но и этот метод дал сбои, потому что у Рэмси были проблемы с глазами. Кеннеди не смог подтвердить свои языковые испытания. Он просил Рэмси вообразить слова и записывал сигналы из мозга Рэмси – но, конечно, Кеннеди не знал, действительно ли Рэмси «произносил» слова про себя.

Здоровье Рэмси ухудшилось, как и имплантат в его голове. С годами пришла в упадок и вся исследовательская программа Кеннеди: его гранты не возобновлялись; ему пришлось распустить своих инженеров и лаборантов; его партнёр Бакай умер. Теперь Кеннеди работал один. Он по-прежнему проводил рабочие часы, леча пациентов в своей неврологической клинике. Но Кеннеди был уверен, что совершит ещё один прорыв, если сможет просто найти идеального пациента – кого-то, кто мог бы говорить вслух, по крайней мере, сначала. Только таким образом, он мог выяснить соответствие между каждым конкретным звуком и нейронным сигналом.

Но прежде чем Кеннеди смог найти своего пациента, FDA отозвало одобрение на его имплантаты.

Однако амбиции Кеннеди не померкли, наоборот, он был преисполнен решимости. Осенью 2012 года он опубликовал научно-фантастический роман под названием «2051», в котором рассказывается история Альфы, ирландского пионера нейронных электродов, такого как Кеннеди, который жил в возрасте 107 лет как образец своего собственного технологического открытия. Роман представляет собой своего рода набросок мечты Кеннеди: его электроды будут не просто инструментом, помогающим заблокированным пациентам общаться, но станут двигателем улучшенного кибернетического будущего, в котором люди живут как разум в металлических оболочках.

К тому времени, когда Кеннеди опубликовал свой роман, он уже знал, каким будет его следующий шаг. Человек, прославившийся тем, что имплантировал самый первый интерфейс связи между человеческим мозгом и машиной, снова совершит то, чего никто никогда раньше не делал. У него не оставалось другого выбора. «Какого чёрта», – подумал он. «Я просто сделаю это на себе».

В 2014 году Фил Кеннеди нанял нейрохирурга в Белизе, чтобы тот