Мозговой имплантат позволяет человеку с полным параличом излагать мысли

Центр биологии и нейроинженерии Висса.

Специальный имплант позволяет человеку с поздней стадией БАС общаться с помощью нейронных сигналов.

Боковой амиотрофический склероз (БАС) представляет собой разрушительное нейродегенеративное заболевание, которое приводит к прогрессирующей потере мышечной функции тела [1]. В большинстве случаев человек больше не может говорить и становится зависимым от вспомогательных средств связи. По мере прогрессирования расстройства больной теряет способность дышать из-за паралича диафрагмы. Но с помощью имплантированного устройства, которое считывает сигналы мозга, человек в таком состоянии может выбирать буквы и составлять предложения.

“Люди действительно сомневались, возможно ли это вообще”, — говорит Маришка Ванстенсел, исследователь интерфейса мозг-компьютер в Медицинском центре Утрехтского университета, которая не участвовала в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications [2]. Если новая система окажется надежной для всех людей, которые полностью парализованы, и если ее можно будет сделать более эффективной и доступной, это позволит тысячам людей восстановить связь с окружающим миром, говорит Рейнхольд Шерер, специалист в области нейроинженерии из Университета Эссекса.

Боковой амиотрофический склероз разрушает нервы, которые контролируют движение мышц, и большинство пациентов умирают в течение 5 лет после постановки диагноза. Когда человек утрачивает способность говорить, он может использовать камеру слежения за глазами для выбора букв на экране. Позже, по мере прогрессирования болезни, люди с диагнозом БАС, могут отвечать на вопросы «да» или «нет» едва заметными движениями глаз. Далее и эта способность утрачивается. Но если работу диафрагмы поддерживает внешнее устройство, человек может слышать месяцами или годами, но уже без возможности отвечать каким-либо способом.

В 2016 году исследовательская группа под руководством Маришки Ванстенсел сообщила, что женщина с БАС может выстраивать подобие общения с помощью мозгового имплантата, который обнаруживает попытки пошевелить рукой. Но этот человек все еще имел минимальный контроль над некоторыми мышцами своих глаз и рта и было неясно, может ли мозг, потерявший всякий контроль над телом, достаточно последовательно сигнализировать о намеченных движениях, чтобы обеспечить осмысленное общение.

Участник нового исследования, мужчина с БАС, которому сейчас 36 лет, начал работать с исследовательской группой в Тюбингенском университете в 2018 году, когда он еще мог двигать глазами. Он согласился на эксперимент, чтобы попытаться поддерживать связь со своей семьей, включая маленького сына. Его жена и сестра дали письменное согласие на операцию.

Согласие на такое исследование сопряжено с этическими проблемами, говорит Эран Кляйн, нейробиолог и специалист по нейроэтике из Вашингтонского университета в Сиэтле. Этот человек не сможет передумать или отказаться в течение некоторого времени после своего последнего сообщения при помощи движения глаз.

Исследователи имплантировали две электродные решетки шириной 3,2 миллиметра в часть мозга, ответственную за движение. Когда они попросили мужчину попытаться пошевелить руками, ногами, головой и глазами, нейронные сигналы не были достаточно последовательными, чтобы ответить на вопросы «да» или «нет», говорит Уджвал Чаудхари, инженер в области биомедицин, нейротехнолог немецкой некоммерческой организации.

После почти 3-х месяцев безуспешных попыток команда попробовала нейробиоуправление, при котором человек пытается изменить сигналы своего мозга, получая в режиме реального времени оценку того, добиваются ли они успеха. Слышимый тон становился выше по мере ускорения электрического возбуждения нейронов вблизи имплантата и ниже по мере его угасания. Изменяя стратегию подобного подхода, в течении 12-ти дней удалось выстроить предсказуемую реакцию нейронов на обрабатываемую звуковую информацию. Это было как музыкальное произведение, — вспоминает Чаудхари. Исследователи настроили взаимосвязь, установив нейронные связи участвующие в новом, адаптированном под конкретную ситуация, процессе и определив, какие изменения произошли в результате усилий пациента.

Удерживая высокий или низкий тон, человек мог затем указать «да» и «нет» на группы букв, а затем на отдельные буквы. Примерно через 3 недели работы с системой он выдал четкое предложение: просьбу к опекунам изменить его расположение на кровати. Затем, со скоростью около одного символа в минуту, составил предложения: «Суп-гуляш и суп из сладкого горошка», «Я хотел бы послушать альбом Tool», «Я люблю своего сына».

Символическое изображение мозг-лампочка

В конце концов он объяснил, что модулировал тон, пытаясь двигать глазами. Но ему не всегда это удавалось. Только на 107-й из 135-ти дней, о которых сообщалось в исследовании, он смог подобрать диапазон целевых тонов с точностью 80%, и только в 44 из этих 107 дней он смог произнести внятное предложение.

Мы можем только строить догадки о том, что происходило в другие дни, — говорит Ванстенсел. Человек мог заснуть или просто быть не в настроении. Возможно, сигнал мозга был слишком слабым или нестабильным, чтобы оптимально настроить компьютерную систему декодирования, которая требовала ежедневной калибровки. Соответствующие нейроны могли перемещаться в зону действия электродов и за ее пределы, отмечает соавтор Йонас Циммерманн, нейробиолог из Центра биологии и нейроинженерии Висса.

Однако исследования показывают, что можно поддерживать связь с человеком, когда он парализован, адаптируя интерфейс к его способностям, говорит Мелани Фрид-Окен, которая изучает интерфейсы мозг-компьютер в Университете здравоохранения и науки штата Орегон. «Это так круто», — говорит она. Но сотни часов ушли на разработку, тестирование и обслуживание персонализированной системы, отмечает она. Мы еще далеки от того, чтобы довести это до уровня вспомогательных технологий, которые могли бы использовать.

Демонстрация также поднимает этические вопросы, сказал Кляйн. Он отмечает, что обсуждение предпочтений по уходу в конце жизни достаточно сложный процесс для людей, которые могут говорить. Можете ли вы вести разговор с одним из таких устройств, которое позволяет вам услышать только три предложения в день? Вы, конечно же, не хотите неправильно истолковать слово здесь или слово там. Циммерманн говорит, что исследовательская группа поставила условие, что медицинское обслуживание участника не должно зависеть от интерфейса. Если бы на мониторе появилось «отключите мой вентилятор», мы бы этого не сделали. Но, добавляет он, члены семьи должны интерпретировать пожелания пациента так, как они считают нужным.

Фонд Чаудхари ищет финансирование для установки аналогичных имплантатов еще нескольким людям с БАС. По его оценкам, система будет стоить около 500 000 долларов в течение первых 2 лет. Тем временем Циммерман и его коллеги разрабатывают устройство для обработки сигналов, без инвазивного вмешательства.

До сих пор устройства, считывающие сигналы с внешней стороны головы, не позволяли достигнуть результата описанного выше. В 2017 году исследование в этой области, доказало, что возможно классифицировать и расшифровать ответные реакции нейронов как «да» или «нет» с точностью 70% у полностью парализованного реципиента, используя неинвазивную технологию, называемую функциональной нейровизуализацией (FNIR). В команду вошли два соавтора нового исследования, Чаудхари и Нильс Бирбаумер, нейробиолог из Тюбингенского университета. Но другие исследователи выразили озабоченность по поводу статистического анализа исследования. Два расследования выявили неправомерные действия в 2019 году, и результаты были аннулированы. По словам Чаудхари, авторы подали в суд, чтобы оспорить выводы комиссии. Шерер, который скептически относился к исследованию с применением функциональной нейровизуализации, говорит, что результаты определенно лучше с помощью инвазивного устройства.

Исследователи Центра Висса продолжают работать с этим участником исследования, но его орфографические способности снизились, и теперь он в основном отвечает на вопросы «да» или «нет», говорит Циммерманн. По его словам, отчасти виновата рубцовая ткань вокруг имплантата, потому что она препятствует считыванию нервных импульсов. Когнитивные факторы также могут играть определенную роль: мозг участника может потерять способность управлять устройством после многих лет неспособности влиять на окружающую среду. Но исследовательская группа взяла на себя обязательство поддерживать устройство до тех пор, пока пациент продолжает им пользоваться, говорит Циммерманн. Это огромная ответственность. Мы хорошо это понимаем.

Используемая литература и ссылка на исследование

  1. Чоу С.М. и Норрис Ф.Х. Вопросы и мнения: боковой амиотрофический склероз: поражение нижних двигательных нейронов с распространением на верхние двигательные нейроны. Muscle Nerve 16, 864–869 (1993) Google Scholar
  2. Орфографический интерфейс «мозг-компьютер» с использованием интракортикальных сигналов у полностью парализованного человека. Авторы Уджвал Чаудхари, Иоаннис Влахос, Йонас Б. Циммерманн, Арнау Эспиноса, Алессандро Тонин и др. Журнал Nature 13 , Номер статьи: 1236, 2022 год  Статья

Читайте также: