Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной

Первый кохлеарный имплант был создан американскими хирургами Джоном Дойлом и Уильямсом Хаусом и протестирован на волонтере в 1964 году. Четыре электрода, расположенные во внутреннем ухе, передавали достаточно деталей, чтобы пациенты слышали и повторяли простые фразы.

Сегодня коммерчески доступные импланты содержат более 20 электродов и восстанавливают слух десяткам тысяч людей в год. В частности, дети, которым устанавливают кохлеарные импланты в возрасте, когда их мозг достаточно пластичен для осмысления новых вводных данных, добиваются больших успехов в понимании речи.

Сегодня исследователи работают над полностью вживляемыми устройствами, без внешних проводов или батареек, а также исследуют способы улучшить передачу более сложных звуков, таких как музыка.

Кроме того, разрабатываются технологии по стимулированию сетчатки. Импланты сетчатки, такие как Second Sight, были впервые опробованы на пациентах в 2002 году. Они электрически стимулируют сохранившиеся клетки в глазах людей, ослепших из-за повреждения или потери чувствительных к свету участков сетчатки. Захваченные камерами изображения переводятся в грубую версию того, что увидел бы здоровый глаз. Из-за богатства визуальной информации, которую мы получаем от глаз, сделать что-то не хуже нормального зрения – задача достаточно сложная, но ученые работают над улучшенными имплантами с тысячью пикселей.

Устройства ввода, стимулирующие мозг напрямую, также прошли долгий путь. Первопроходцем стал Хосе Дельгадо, испанский исследователь, который впоследствии проделал значительную работу на модельных животных в Йельском университете в 1950–1960-х годах. Он разработал мозговые импланты, названные им «стимосиверы», и подсоединил их к конкретным участкам мозга животных, чтобы контролировать их поведение. В одном из своих знаменитых экспериментов (видео легко найти в сети) он отправляет электрические импульсы через дистанционный пульт управления в мозг нападающего быка и останавливает его. Дельгадо продолжил опыты и испытал «стимосиверы» на мозге людей волонтеров.

Оптогенетика

Вероятно, в будущем получится управлять деятельностью мозга с помощью света, а не электричества. Оптогенетика – это новая технология, при которой нейроны генетически модифицируются и начинают реагировать на свет. В первую очередь, с ее помощью можно восстанавливать чувствительность сетчатки глаза, но в теории метод можно использовать в мозге, если мы найдем безопасный способ проводить генную терапию и свет внутри черепа.

Эксперименты на животных показали, что оптическая стимуляция активирует или приглушает конкретные нейроны и влияет на поведение, к примеру, заставляет мышей бежать при освещении моторных участков мозга. Когда свет выключается, останавливаются и мыши. В будущем способность оптически контролировать нейроны может оказаться крайне полезной при таких состояниях, как эпилепсия.

Эксперименты уже показали, что оптогенетическое гашение нейронов подавляет приступы у мышей. Теперь исследователи работают над устройством, которое отслеживало бы активность мозга и определяло начало приступа. В сочетании с генной терапией это однажды позволило бы нам выключать приступы прямо на старте.

Перемотайте вперед на несколько десятилетий, и перспективы применения таких технологий прояснятся. Более 100 000 человек по всему миру получили импланты глубокого стимулирования мозга для смягчения тремора при болезни Паркинсона. В базальные ядра, содержащие нейроны, которые производят дофамин и теряются при болезни Паркинсона, вводятся электроды, затем их подсоединяют к батарее, размещенной на груди и контролируемой пультом дистанционного управления в руке. Когда аппарат включается, тремор полностью останавливается, и пользователь продолжает повседневную жизнь.

В последнее время развиваются и устройства вывода – которые фиксируют сигналы из мозга. Они позволили ученым считывать нейронную активность и переводить ее в сигналы, управляющие протезами. Поместив тонкие электроды в двигательную кору головного мозга, можно идентифицировать «скачки», соответствующие активности отдельных нейронов. Предыдущие опыты на обезьянах показали, что схемы скачков множества нейронов «декодируют» направление движений руки. Следующим шагом стало использование этой информации для роботизированной руки, которой обезьяны быстро научились управлять с помощью одних сигналов мозга. В прошлое десятилетие нечто подобное стало возможным и для людей.

В 2004 году Мэтью Нейгл, парализованный от шеи и ниже, стал первым человеком с мозговым имплантом, позволявшим контролировать курсор на компьютерном экране и раскрывать и закрывать протез кисти. С тех пор аналогичные импланты появились у ряда других людей, но исследование все еще остается на уровне лаборатории – для начала необходимо, чтобы человек был подключен к компьютеру, передающему сигналы мозга на протез. Но развитие маломощной микроэлектроники позволит проектировать следующее поколение нейронного интерфейса – беспроводное.

Вехи в борьбе с параличом