В лаборатории нейрокомпьютерных интерфейсов МГУ тестируют роботизированную руку «Сенатор»
Молодые ученые из лаборатории нейрокомпьютерных интерфейсов профессора Александра Каплана в МГУ имени М.В. Ломоносова сейчас проводят серию исследований, в которой тестируют сравнительно простой в управлении нейроинтерфейс, очень нужный для постинсультных пациентов.
Роботизированная рука «Сенатор"
Я никогда не видела своего прадедушку, он умер за несколько лет до моего рождения. К этому моменту он не мог полностью сжать левую руку в кулак и немного подволакивал ногу - последствия паралича. Несчастный случай случился с ним за много лет до смерти: он неудачно нырнул в реку, а вынырнуть сам уже не смог. Какое-то время все его мышцы отказывались подчиняться мозгу, врачи боялись, что это состояние необратимо. Но прадед постепенно пошёл на поправку, и через несколько месяцев уже мог вернуться к полноценной жизни, работать и заниматься любимым садоводством. Позже он рассказывал, что пока лежал без движения, он мысленно занимался физкультурой - поднимал гири, бегал, плавал - это и помогло ему снова встать на ноги. Это была настоящая победа разума над мозгом.
Сегодня, к сожалению, всё больше людей попадают в подобную ситуацию: мозг теряет управление над телом. Причиной тому служит, как правило, инсульт - резкое нарушение кровообращения в мозге, которое ведёт к гибели клеток. Эта болезнь входи в группу самых смертоносных (в среднем по миру) на сегодняшний день сердечно-сосудистых заболеваний, он ежегодно поражает около 400 тысяч наших соотечественников. Однако инсульт - не смертный приговор. Если человеку будет оказана своевременная медицинская помощь, его жизнь можно будет спасти, но для полного восстановления здоровья придётся пройти долгий путь.
Паралич возникает в связи с частичным повреждением участков коры головного мозга, отвечающих за движения. Не каждый пациент способен, как мой прадед, днями напролёт мысленно заниматься спортом, чтобы их снова наладить. К тому же для полноценного восстановления подвижности частей тела мозгу необходимо не только посылать команды, но и получать «отчёт» о проделанной работе.
Новейшие исследования дают учёным возможность всё ближе подойти к разгадке головоломки восстановления подвижности больных, перенёсших инсульт, но оптимальное решение пока не найдено.
Уже существует множество вариантов интерфейса, позволяющего, передать команду головного мозга на экзоскелет, который в свою очередь согнёт или разогнёт, например, указательный палец правой руки и пошлёт таким образом ответный сигнал, тренируя руку и восстанавливая потерянную связь между мозгом и пальцем. Но чтобы работать с большинством интерфейсов, необходимо длительное обучение, а для перенёсших инсульт людей это может оказаться непосильной задачей.
Молодые ученые из лаборатории нейрокомпьютерных интерфейсов профессора Александра Каплана в МГУ имени М.В. Ломоносова сейчас проводят серию исследований, в которой тестируют сравнительно простой в управлении нейроинтерфейс, но очень нужный для постинсультных пациентов. Я решила принять участие в одном из экспериментов.
Мне предстояло овладеть техникой управления роботизированной рукой, которую учёные ласково называют «Сенатор».
Движениями наших конечностей управляют особые области мозга - двигательные центры. Но роботизированная «рука» реагирует на активность зрительной коры. Чтобы её стимулировать, испытуемый наблюдает за лампочками, расположенными на пальцах руки-робота и концентрируется на одной из них. Цель эксперимента - понять, активируются ли при этом двигательные центры мозга.
Во время работы системы эти лампочки поочерёдно загораются на каждом пальце роботизированной руки. Моя задача состояла в том, чтобы считать вспышки лампочки на «целевом пальце» (вспышек было всего по 10), представляя, что при каждой вспышке я сгибаю палец, но не сгибать его на самом деле. Если я всё делала правильно, «целевой» палец руки-робота сгибался.
Для исследования принципиально важно не столько движение робота и даже не то, как он получает команды, а реакция испытуемого. При наблюдении за движением активность мозга двигательных областей может повышаться, и чтобы отсечь ненужные импульсы, учёные стараются минимизировать произвольные напряжения руки испытуемого во время эксперимента. Это гораздо проще сделать, разведя руку испытуемого и умный «протез». С этой целью на мою «целевую» правую руку даже поставили электроды, которые фиксировали мышечную активность, и упражнение я могла выполнить только если моя рука была полностью расслаблена.
Подключение к интерфейсу: 8 электродов на голове, 3 на «целевой» руке и заземление на «нецелевой» руке. Подключают учёные-экспериментаторы: Дарья Жигульская и Николай Сыров
«Ранее, чтобы активировать двигательные корковые области у пациентов, перенесших инсульт, использовались интерфейсы, которые работали на представлении движения. Испытуемые (или пациенты) не совершали само движение, а представляли его и таким образом могли произвольно активировать моторные области коры своего мозга, за счёт чего эти области как бы тренировались в попытках восстановить двигательную функцию, - рассказывал мне магистрант Николай Сыров, располагая на моей руке электроды (те самые, которые фиксируют тонус мышц), пока я шевелила пальцами. - Сложность в том, что точность представления у таких пациентов сильно варьируется, и нужно очень долго тренироваться, представлять движение. Но даже после таких тренировок не все научатся это делать с достаточной точностью».
«Причём в интерфейсе представления движения количество команд совсем не велико, - добавила Дарья Жигульская, тоже студент магистратуры биофака, заливая гель под электроды на моей голове. -
У нас интерфейс формирует 5 команд - по одной на сгибание каждого пальца, и может дать еще больше команд, если понадобится. А для интерфейса представления движения, то есть, без внешних фотостимулов, это уже слишком много, там всего 2-3 команды».
Действительно, справиться с лампочным интерфейсом оказалось несложно. К концу часового сеанса мы с «Сенатором» привыкли друг к другу, и я могла с хорошей точностью двигать механическими пальцами. Не зря, видимо, лаборатория Каплана получила патент на эту инновацию.
Когда я освоилась с интерфейсом, началось самое важное. После каждой десятисекундной попытки, которая должна была привести к одному движению «Сенатора», Николай подносил к моему затылку слева (потому что робот был заместителем моей правой руки) электромагнитную катушку, которая слабыми стимулами тестировала возбудимость моторную зоны моего мозга. Цель эксперимента, для которого нужно не менее 20 добровольцев, состоит именно в том, чтобы понять, позволяет ли интерфейс с лампочками активизировать двигательные центры мозга. Иными словами, подойдёт ли он для тех, кто не может их активизировать привычным способом.
Электромагнитная катушка фиксирует активность двигательных центров в мозгу
Если эксперимент окажется успешным, программу подключат к экзоскелету руки. Пациент сможет надевать это устройство как своеобразную перчатку, которая будет сгибать его пальцы в нужный момент.
«Это очень важно для таких пациентов. При такой тренировке, во-первых, механически разрабатываются конечности, а во-вторых, в мозге формируются дополнительные пути, которые могут компенсировать потерю моторной функции», - пояснила Дарья.
Сейчас в центрах реабилитации эту функцию выполняют люди. Больной по команде медработника представляет, что делает то или иное движение, а тот соответствующим образом двигает его руку, посылая «отчёт» в мозг. Трюк в том, что этот ответный сигнал должен поступать с небольшой задержкой после команды мозга, и правильно синхронизировать мысль пациента и «мышечный» ответ очень непросто для человека, но элементарно для нейроинтерфейса.
«Это чем-то напоминает эксперименты Ивана Павлова с условными рефлексами собак - рассказал Николай. - Когда у вас сгибается палец, и вы именно этого и хотели, возникает положительная обратная связь, положительное подкрепление. Если бы во время эксперимента мы не рассказали, что должно происходить, и вы просто смотрели на лампочки, у вас бы пропала мотивация через какое-то время, и точность классификации (выбора нужного пальца) тоже бы упала».
На самом деле сейчас учёные не знают ни маршрут прохождения этих импульсов, ни то, как они формируются, и выяснить, как же это работает - одна из важнейших задач для решения целого ряда медицинских проблем. Лаборатория Александра Каплана планирует проверить и другие виды неинвазивных нейроинтерфейсов (если есть возможность вернуть подвижность собственным мышцам пациента, предпочтение отдаётся именно таким, временным мерам). Например, на подходе тренажёр, где фокусировать внимание испытуемый будет не визуально (глядя на лампочки), а тактильно (за счёт прикреплённых к пальцам вибромоторов). Уже работает от мозговых команд вертикализатор - устройство для перемещения пациентов в вертикальное состояние.
Задач у учёных много, намёток путей решения тоже. Но для себя я решила, что надо больше следить за здоровьем и работать с технологиями для восстановительной медицины в качестве добровольца, а не пациента. Не болейте!
Болохова Ксения
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=116777#.VtnC-k-E4c0