От дистанционно управляемого быка до бионических глаз
В Кордове, городе на юге Испании, был жаркий летний день. Публика собралась посмотреть на обычное для Пиренейского полуострова зрелище — человека с малиново-красным плащом, издевающегося над разъярённым быком. Но тут произошло нечто необычное — когда бык наставил рога на человека и бросился в его сторону, тореадор нажал кнопку на специальном устройстве в его левой руке. Как будто по волшебству бык тотчас потерял к нему интерес и ушёл в сторону.
Зрители, присутствовавшие в 1963 году на этом шоу, были свидетелями одной из первых демонстраций прямого контроля сознания. В быка, а именно в часть его мозга под названием хвостатое ядро, был вживлён мозговой имплант — специальный массив электродов. Когда тореадор — Хосе Мануэль Родригес Дельгадо (Jose Manuel Rodriguez Delgado), инженер в области нейронных технологий Йельского университета (Yale University) — включил его, бык моментально перестал чувствовать какую бы то ни было агрессию. Демонстрация работы мозгового импланта Дельгадо стала ключевым моментом в истории одного из самых противоречивых технологических начинаний — объединения высшей нервной деятельности и машины, выразившегося в разработке мозговых имплантов.
Открытие биоэлектричества
Люди давно знакомы с электрической природой живых существ. Электрический угорь (который, на самом деле, не угорь, а представитель отряда гимнотообразных) может ударить током, напряжение которого — от 10 вольт (сейчас известен угорь, способный поражать жертву электрическим разрядом напряжением до 860 вольт. — Прим. XX2 ВЕК). Впервые этот факт упомянул зоолог Карл Линней (Carl von Linné) в 1766 году, а в 1770-х в серии экспериментов было показано, что «рыба-торпеда» (подвид электрических скатов) также может нанести мощный электрический удар (как выяснилось позже — напряжением около 200 вольт).
Но впервые доказательства того, что все живые существа являются в определённом смысле «электрическими», представил итальянский врач Луиджи Гальвани (Luigi Galvani). Однажды зимним днём 1780 года Гальвани с помощью металлического скальпеля делал разрезы на мёртвой лягушке. И тут нога лягушки внезапно дёрнулась! Гальвани понял, что скальпель накопил статическое электричество, которое каким-то образом «оживило» лягушку, а значит у той есть какая-то внутренняя электрическая схема. Так Гальвани понял, на чём основана нервная система.
Первые попытки осуществить нейроконтроль
Если мы признаём, что мозг работает на основе электричества, то, значит, с помощью электрической стимуляции можно управлять движениями живых существ. Немецкие неврологи Эдвард Хитциг (Edward Hitzig) и Густав Фриш (Gustav Frisch) стали первыми исследователями, кому удалось это сделать — в 1870 году они подвергли электрической стимуляции мозг собаки. Движения, которые они получили, были довольно предсказуемы, что подтверждало предположение, что разные стимулируемые части коры головного мозга отвечают за разные мышцы.
Как насчёт людей? Можно ли нашим мозгом управлять таким же образом? Несколько лет спустя американский нейрохирург Робертс Бартоломью (Roberts Bartholomew) уверенно ответил: «Да».
У одной из пациенток Бартоломью, молодой женщины по имени Мэри Рафферти (Mary Rafferty) китовый ус, встроенный в парик, натирал голову. На этом месте образовались рана и отверстие в черепе. Хирург не мог упустить такой шанс, эта женщина была идеальным объектом для проведения испытаний; получив от неё согласие, он стимулировал открытую часть мозга женщины с помощью электродов и увидел, что «руку отбросило в сторону, пальцы вытянулись, ногу она выпятила вперёд».
Бартоломью повысил напряжение и простимулировал мозг в разы сильнее, чем раньше. На этот раз «на её лице отразилось страдание, она начала плакать … потеряла сознание … и затем впала в кому». Мария вышла из комы, но умерла несколько дней спустя. Неясно, в какой степени электрическая стимуляция повлияла на её смерть.
Эксперименты Бартоломью — поразительный и печальный провал по части этики в истории медицины и науки. Но, тем не менее, в результате мы получили убедительное доказательство того, что, как и мозгом лягушки или собаки, человеческим мозгом можно управлять с помощью электрической стимуляции. Таким образом была заложена теоретическая база для разработки нейронных имплантов.
Испуганные обезьяны и быки с дистанционным управлением
Хосе Мануэль Родригес Дельгадо — это, вероятно, самая противоречивая фигура в истории мозговых имплантов — не только из-за созданных и продемонстрированных им технологий, но также и из-за его взглядов на то, как эти технологии должны использоваться.
В конце 1940-х годов лоботомия, операция, в ходе которой лобная доля пациентов психиатрических клиник удаляется или разрушается, чтобы их успокоить, была в моде по всему миру. Можно ли избежать таких разрушительных хирургических вмешательств, разработав электрические импланты, позволяющие достичь того же эффекта? Такой вопрос задавал себе Дельгадо в молодости.
Исследователь разработал компактные имплантируемые системы размером с крупную монету, которые он вставлял в мозг не отвечающих на другие виды лечения больных эпилепсией и шизофренией. Он также создал «хемитрод», который мог по команде вбрасывать медикаменты в ту или иную часть мозга.
Помимо знаменитого эксперимента с быком, Дельгадо провёл много других публичных демонстраций того, как мозговые импланты можно использовать, чтобы менять настроение. В одном исследовании он продемонстрировал, как самка макаки избегает нападения агрессивного альфа-самца, потянув рычаг, активирующий электроды-стимуляторы хвостатого ядра в мозге последнего. В другом эксперименте он стимулировал мозг спокойной и тихой женщины, и в результате она впала в ярость и разбила свою гитару о стену.
Исследования Дельгадо вызвали негативную реакцию общественности — люди опасались, что технология будет иметь «оруэлловские» последствия. Сам Дельгадо был активным сторонником использования этих устройств для контроля человеческого поведения. Противоречия вокруг лоботомии и электрошоковой терапии вкупе с осуждением публики стали достаточными для серьёзного замедления развития нейронных интерфейсов.
Заставить глухих слышать, а слепых — видеть
Будучи захваченным спорами о дистанционно управляемых обезьянах и быках, легко забыть об огромных позитивных медицинских достижениях, пришедших из области нейроинтерфейсов. Без сомнений, самый успешный когда-либо созданный «нейропротез» — это кохлеарный имплант, устройство, которое вернуло слух тысячам глухих людей.
Ушная улитка — спиралевидный орган, находящийся внутри уха, преобразует звуковые волны (то есть механические сигналы) в нервные импульсы (то есть электрические сигналы), которые мозг затем может интерпретировать, позволяя нам слышать. У многих глухих людей крошечные волоски в улитке, которые осуществляют это преобразование, повреждены и поэтому не работают.
Первая имплантируемая система, устраняющая глухоту посредством стимуляции улиткового нерва в обход повреждённой улитки, была создана американскими инженерами Уильямом Хаусом (William House) и Джоном Дойлом (John Doyle) в 1961 году. Сегодня более 200 000 человек по всему миру используют её для возвращения слуха.
Также были созданы импланты, позволяющие слепым видеть, хотя прогресс с ними шёл намного медленнее, чем с кохлеарными имплантами. Ещё в 1950-х годах учёные обнаружили, что электрическая стимуляция зрительной коры (части мозга, которая интерпретирует визуальную информацию) может вызывать красочные зрительные галлюцинации — фосфены (их можно увидеть, если потереть глаза пару минут).
Первое имплантируемое устройство для стимуляции сетчатки, светочувствительной части глаза, было протестировано в 2002 году. Оно было создано американским инженером Робертом Гринбергом (Robert Greenberg) и называлось «Аргус I» (Argus I). Этот имплант хоть и позволял опознавать только простые формы, стал первой ласточкой на дороге медицинских открытий, которые когда-то могли бы счесть за чудо.
Ранее в этом году инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны (фр. École polytechnique fédérale de Lausanne) представили имплант сетчатки, достаточно хороший, чтобы перевести фактически слепого человека в юридический статус зрячего. Это устройство наделяет таких людей способностью вести относительно нормальную жизнь. Достижения в области технологий для возвращения людям зрения и слуха, несомненно, являются одними из самых поразительных в истории человечества.
Углубляясь в мозг
Многие из вас знают людей, страдающих болезнью Паркинсона (БП). Это моторное расстройство поражает преимущественно пожилых людей и значительно ухудшает качество их жизни. Начинается оно с лёгкого тремора рук и в конечном итоге может привести к полному параличу и смерти. За последние несколько столетий люди утроили среднюю продолжительность жизни, преодолев многие естественные преграды на этом пути. Но по итогам мы можем с горечью ожидать, что в один прекрасный день обнаружим у себя «Паркинсона и Альцгеймера».
К счастью, здесь также приходит на помощь нейроинженерия. Большинству пациентов с БП назначают препарат леводопа, который в мозге превращается в дофамин, ключевой для координации движений нейромедиатор. Однако для некоторых пациентов медикаментозного лечения недостаточно, и требуется более радикальное вмешательство — глубокая стимуляция мозга.
Учёные, работавшие в начале 1990-х годов с моделями БП у обезьян, обнаружили, что физическое разрушение структуры мозга под названием субталамическое ядро (СТЯ) может облегчить симптомы болезни. Они пришли к выводу, что искусственное поражение СТЯ с помощью электрического торможения нейронов приводит к похожему эффекту у людей. Это было продемонстрировано в 1995 году.
Сегодня тысячи людей оснащены системами глубокой стимуляции мозга — страдающие не только БП, но и эпилепсией, хроническими болями, депрессией и обсессивно-компульсивным расстройством. Были разработаны так называемые «замкнутые» системы, которые могут определять, когда пациент нуждается в помощи, и автоматически проводить правильную стимуляцию.
Внедрение систем с обратной связью привело к некоторым интересным открытиям в области психологии человека. Ощущение «самости», которое кажется нам объективно существующим, скорее всего своего рода иллюзия, сформированная нашим мозгом. Люди, использующие устройства для стимуляции мозга, оснащённые замкнутой системой стимуляции, иногда говорят, что их чувство самости и собственной воли как будто растворяется. Это может оказаться поводом для беспокойства для многих людей, и тем самым помешать широкому распространению нейронных имплантов.
Продвигаемся вперёд
Изобретение глубокой стимуляции мозга стало значительным шагом вперёд в области лечения людей с проблемами координации движений. Но что насчёт людей с параличом, которые вообще не могут двигаться? Чтобы им помочь, нужно работать над гораздо более впечатляющими технологиями — разработкой бионических конечностей, оснащённых устройствами с нейроинтерфейсом.
В 2000 году бразильский нейроинженер Мигель Николелис (Miguel Nicolelis) шокировал широкую общественность, продемонстрировав людям обезьяну, способную управлять роборукой с помощью мозга. Восемь лет спустя Николелис показал, как обезьяна с помощью мозгового импланта может манипулировать роботом, идущим по беговой дорожке.
В течение последних десяти лет протезирование конечностей становилось всё более изощрённым. Однако на этом пути есть одна преграда — это проблема во взаимодействии устройства с нервной системой. Чего в настоящее время протезным системам не хватает больше всего, так это проприоцепции, очень важного чувства, про которое многие даже не знают.
Проприоцепция — это внутреннее чувство, позволяющее нам ориентировать части тела друг относительно друга. Если бы его не было, то, чтобы орудовать конечностями, нам приходилось бы постоянно на них смотреть. Именно так живут сейчас люди с протезами, оснащёнными нейроинтерфейсом: для них каждое движение — кропотливый и медленный процесс, требующий осторожности во избежание ошибок.
Многие инженеры пытаются разработать системы обратной связи, которые стимулировали бы нейроны, например, в ноге, и создавали бы тем самым искусственную проприоцепцию. Сейчас этот подход кажется очень многообещающим, хотя учёные всё ещё далеки от того, чтобы каждый парализованный человек мог без труда пользоваться такой системой.
Фантастика света
Начиная с самых ранних экспериментов Бартоломью и Дельгадо, манипуляции с мозговыми имплантами в основном проводились посредством электростимуляции. В этом был смысл, так как наша нервная система построена на электричестве. Тем не менее, новая технология — оптогенетика — может в какой-то мере оспорить лидирующую позицию, которую электростимуляция занимает сейчас.
В основе оптогенетики, науки, изобретённой американским инженером Эдом Бойденом (Ed Boyden), вместо электричества лежит свет. С его помощью проводится стимуляция и торможение нейронов. Технологии генной инженерии позволяют создать внутри нейронов определённого типа светочувствительные каналы. А их, в свою очередь, можно активировать крошечными светодиодами, вживлёнными в мозг.
Электростимуляцию в этом плане можно сравнить с молотком или кувалдой — там воздействию подвержено большое количество нейронов разных типов сразу. Оптогенетика же позволяет более точно стимулировать нужные нейроны. В рамках этой технологии можно использовать разные цвета в сочетании с различными типами светочувствительных каналов и таким образом одновременно активировать одни виды нейронов и тормозить другие.
Станем ли мы киборгами?
Хотя на сегодняшний день все мозговые импланты используются сугубо в медицинских целях — для восстановления утраченной или отсутствующей у пациента способности, многие размышляют о том, как в будущем здоровые люди будут использовать мозговые импланты и другие нейропротезы для совершенствования умственных и физических способностей — и из-за этого могут превратиться в киборгов.
В 2002 году много споров вызвал поступок британского инженера Кевина Уорвика (Kevin Warwick), который вживил себе в руку массив электродов, позволивший ему контролировать роборуку. Международное сообщество людей, которые называют себя «грайндерами» (grinders) или «биохакерами», дополняет себя имплантируемыми устройствами, например магнитами или RFID-чипами. В 2017 году художник Нил Харбиссон (Neil Harbisson) установил себе устройство, позволяющее ему «слышать» цвет с помощью вибраций в черепе.
За исключением некоторых случаев, нейроимплантам до сих пор не удалось сделать прорыв и стать мейнстримной технологией среди здоровых людей. Отчасти это связано с высоким риском: имплантация устройства в мозг может привести к инфицированию или даже к инсульту. Большинство здоровых людей не хотят подвергаться такому риску ради не очень-то и сильного расширения способностей. Кроме того, те устройства, которые мы имеем на данный момент, подразумевают проводное соединение, а это значительно ограничивает возможности ежедневного использования.
Однако в последние годы возник большой интерес к коммерциализации мозговых имплантов. В частности, Илон Маск, известный по проектам Tesla и SpaceX, основал компанию Neuralink, которая идёт по пути создания гибких мозговых имплантов. Маск считает, что ИИ обгонит людей и может даже подчинить их себе, если сейчас не начать совмещать его с человеком посредством аугментации последнего.
Независимо от того, предначертано ли нам стать киборгами или нет, ясно, что из-за роста коммерческого и медицинского интереса к мозговым имплантам, эта технология в течение следующих нескольких десятилетий будет распространяться всё больше. И она имеет все шансы изменить нашу жизнь и, возможно, даже то, что значит «быть человеком».