Cотрудник лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов МГУ Даниил Кирьянов рассказывает про жуков-киборгов и любви ученых к «Звездным войнам», рассуждает о пользе инвазивных интерфейсов, разрабатывает тренажер для людей, переживших инсульт, и мечтает запустить собственный бизнес по производству нейрогаджетов.

О себе

По первому образованию я инженер, учился в МГТУ им. Н.Э. Баумана, а здесь, в МГУ, оказался уже после получения диплома, когда стало нужно определяться с аспирантурой. Во время учебы в Бауманке я много чем увлекался: химией, плазменной техникой, астрономией… Как-то раз попал на семинар по изучению времени, который уже много лет проходит на биофаке МГУ с участием разных ученых. В тот день на нем выступал руководитель лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов Александр Каплан: он рассказывал, как мозг может научиться изменять свои ритмы, чтобы управлять, например, детской радиоуправляемой машинкой.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

Эта тема меня очень заинтересовала, но на связь с профессором тогда я не вышел, на что-то отвлекся. Позже, уже на шестом курсе, мне довелось прослушать в центре Digital October еще одну лекцию на сходную тему — про жуков-киборгов и имплантацию электродов. Ее читал молодой профессор Калифорнийского университета в Беркли Мишель Махарбиз. Идея его эксперимента заключалась в том, что в нейронную систему куколки можно имплантировать микрочипы, чтобы управлять ее полетом, когда она превратится во взрослую особь. И оказалось, что это возможно. Этой темой я уже загорелся, появилась даже шальная мысль податься к нему в аспирантуру в Америку… Но писать ему об этом за пару месяцев до возможного поступления было, конечно, бессмысленно — я получил вежливый отказ. Тогда я решил все-таки написать Александру Яковлевичу (Каплану. — Ред.). Он пригласил меня приехать в лабораторию, после второй встречи я попросился к нему в аспирантуру и вот уже третий год работаю здесь.

Джедаи против инсульта

Нейрокомпьютерный интерфейс — это система, которую еще называют «Мозг-компьютер»: она состоит из энцефалографа, который измеряет электрическую активность мозга, и специальной программы, которая может обработать полученные данные. Поначалу я занимался только разработкой программного обеспечения для интерфейсов, а год назад у меня возникла идея подсоединить к одному из них механическую руку. С ее помощью больные, перенесшие инсульт, смогут восстановить способность своего мозга управлять своим телом. Сегодня для этого в основном используются массаж либо какое-то устройство, которое просто двигает пальцами человека. Но я надеюсь, что использование нашего тренажера станет намного более эффективным.

Есть три способа заставить мозг пациента вспомнить, как управлять рукой, — это свето-, вибро- и электростимуляция. Для того чтобы протестировать реакцию мозга на каждый из них, используется энцефалограф. Человек надевает специальную шапочку с множеством отверстий, в каждое из них втыкается электрод, между ним и кожей в лунку заливается гель, который служит проводником. Конец электрода сделан из хлорида серебра: оно окисляется, восстанавливается и таким образом записывает уровень электрической активности мозга. После того как мы все подсоединили, мы запускаем светостимуляцию. На конце каждого пальца руки-тренажера закреплены лампочки. Когда человек хочет согнуть тот или иной палец, лампочка на нем начинает светиться. Есть и обратный метод, когда все лампочки мигают, а одна из них выключается. То есть мозг реагирует либо на вспышку, либо на угасание светодиода. Его электрическая активность при этом меняется, и на основе ее измерений энцефалографом программа определяет, хочет человек согнуть этот палец или нет. Между собой мы в шутку называем эти два метода «Люк Скайуокер» и «Дарт Вейдер» — светлые и темные силы.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

Есть еще тактильная стимуляция — с помощью маленьких вибромоторов, которые крепятся непосредственно к пальцам самого испытуемого. Их располагают на коже под ногтем — не на подушечке, хотя считается, что это самая чувствительная часть, а именно здесь: в этом случае вибрации достигают рецепторов, которые находятся в мышце. Но такой вид стимуляции сможет помочь только в том случае, если у постинсультного пациента сохранится чувствительность. Самому методу мы дали имя «Магистр Йода».

Раньше мы еще использовали электростимуляцию, то есть вместо вибромотора били людей током. Но тут очень сложно настроить необходимую силу разряда для каждого пальца: чувствительность у всех разная, и кто-то ощущает одинаковый укол больше, кто-то меньше. Я сам ударов тока не боюсь: еще в Бауманке долго экспериментировал с высоковольтной техникой, поэтому я выдерживаю даже максимальный уровень настройки разряда. А вот для моей коллеги они уже до- вольно болезненны. Этот последний интерфейс мы назвали «Император Палпатин»: его оружием в фильме были молнии. Пока от него пришлось отказаться, но мы планируем его доработать.

Пока мы протестировали около 20 человек, самой эффективной оказалась светостимуляция: на нее реагировали 90–95% испытуемых, с вибромотором точность была ниже, всего 70–75%. Но зато в этом случае не нужно все время смотреть на лампочки: это может помочь, например, при управлении инвалидной коляской. В будущем мы хотим сделать еще экзоскелет: с ним человек сможет просто лежать, чувствовать вибрацию на одном из пальцев, фокусироваться на ней и посылать из мозга нужный сигнал. Возможно, даже сгибать несколько пальцев одновременно. В перспективе эта разработка может применяться в клиниках либо даже самим пациентом в домашних условиях.

О «руке Осьминога»

Механическую руку теоретически можно было бы использовать и как протез, но он был бы слишком медленным. Это все равно что управлять с Земли луноходом: когда оператор смотрит на экран, он видит, где был луноход три-четыре минуты назад, и, пока он скомандует машине, куда двигаться дальше, та еще передвинется. Можно было бы сделать протез, который будет реагировать на какие-то мышечные сигналы: скажем, улыбнулся — рука сжалась. Именно этим занимаются разработчики биометрических протезов. Но мы пока сконцентрировались на нейротренажерах.

Моя давняя мечта, еще с того момента, как я впервые услышал о нейрокомпьютерных интерфейсах, — вживить человеку не протез, а именно дополнительную конечность, которой его мозг смог бы управлять наравне с остальными. Этакий доктор Осьминог из «Человека-паука». Управлять такой конечностью можно было бы с помощью гироскопов и тех же мышечных сигналов — сжатия челюстей, пальцев другой руки и т. д. Но пока эта идея остается на уровне развлечения.

Вообще я обожаю научную фантастику и фантастические фильмы смотрю с удовольствием. До нашумевшего «Интерстеллара» как-то до сих пор не добрался, зато недавно посмотрел последний ремейк «Робокопа». Порадовало, что они использовали в сценарии идею системы «Мозг-компьютер». Теперь главный герой, Мерфи, управляет телом робота не просто так, как это было в первом фильме, снятом еще в конце 1990-х годов, а именно с помощью нейрокомпьютерного интерфейса. Жаль только, что этот ремейк сделали таким детским — более кровавый, классический вариант такому типу фильмов идет куда больше.

Гранты, патенты и мысли о будущем

На разработку руки-тренажера мне удалось получить грант «Умник» для молодых ученых. Он не очень большой, всего 200 тыс. рублей, но в условиях работы в лаборатории этого вполне достаточно. За последний год было две выплаты из четырех, остался еще один год — за это время, думаю, мы уже протестируем достаточное количество человек и сделаем опытный образец, который можно будет использовать в клиниках. До коммерческого внедрения этой разработки, вероятно, потребуется больше времени — это будет зависеть от вопросов сертификации, вывода на рынок, требований грантодателей и т. д.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

Разработок, похожих на такой тренажер, в мире пока нет: в сентябре мы с моим руководителем получили на нее патент. В области изучения нейрофизиологии мы пока идем вровень с учеными в других странах, в чем-то даже лидируем: в 2011 или 2012 году наша лаборатория заняла первое место на европейском конкурсе по разработке интерфейсов. Но это касается только разработки неинвазивных интерфейсов, то есть не требующих хирургического вмешательства, трепанации черепа или вживления электродов.

На самом деле у инвазивных интерфейсов огромные перспективы: их использование обеспечивает куда более точное управление. Но по российским законам, если хирург вживит пациенту что-то не по медицинским показаниям, это может грозить ему уголовной статьей, даже если это будет происходить с согласия самого больного. В США и большинстве европейских стран проблем с этим нет. В нашем обществе этого боятся — по религиозным или еще каким-то причинам, очевидно, считая, что это идет против природы человека. Но если мы держим в руке гаджет и кому-то звоним, мы же не становимся от этого киборгами.

Я сам в этом году хочу еще разработать собственный вариант датчиков для ближней инфракрасной спектроскопии. Такой интерфейс не потребует геля для установки электродов: датчики будут закрепляться в непосредственной близости от кожи головы и фиксировать изменения кровотока в точках соприкосновения. Они тоже могут использоваться как командный сигнал — да, кто-то может воспринять это с опасением, но этот тип датчиков уже весь мир активно исследует. И надеюсь попробовать запустить хотя бы небольшой бизнес по производству нейрогаджетов. Проектов много, просто скучно концентрироваться только на чем-то одном.