Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной

Сочетание силы мозга с электроникой быстро обращает вспять ограничения паралича. Электроды на мозге обездвиженной женщины позволили ей общаться с помощью мыслей (см. ниже «Первые домашние мозговые импланты позволяют “запертой” женщине общаться»), а частично парализованному мужчине – восстановить некоторые функции руки. В апреле 2016 года было объявлено, что связывание участка двигательной коры головного мозга с электродами на специальном рукаве позволило ему наливать жидкости из бутылок и играть в музыкальную видеоигру Guitar Hero.

Электроды способны восстановить и осязание. В октябре 2016 года исследование показало, что мужчина с квадриплегией благодаря электродам в соматосенсорной коре через роботизированную руку смог почувствовать, будто трогает предметы. Но прогресс не ограничивается мозговыми имплантами. Электродные насадки на голове позволили парализованным людям ходить. Насадки передают мозговые сигналы в экзоскелет, который надевают примерно как брюки, и он движется при получении сигнала. Даже экзоскелет нужен не всегда. В 2015 году парализованный мужчина научился ходить без него, благодаря насадке ЭЭГ, посылавшей сигналы в электроды, имплантированные в ноги и стимулирующие мышцы.

Двусторонняя коммуникация

Не так давно ученые начали работать над двунаправленным интерфейсом, сочетающим возможности ввода и вывода. Такие импланты стали бы искусственными связями для передачи информации между двумя участками нервной системы, которые были разорваны травмой. Сейчас тестируют двунаправленный интерфейс, соединяющий головной и спинной мозг у обезьян. Животным вводят препарат, временно разрывающий связи двигательной коры, что симулирует эффект инсульта и парализует руку обезьяны. При соединении нейронов выше неактивного участка с электрической стимуляцией в спинном мозге способность обезьяны брать предметы рукой восстанавливается. Было даже выдвинуто предположение, что двунаправленные импланты способны восстановить когнитивные функции, такие как память, при помещении соединений входа и выхода на гиппокамп, участок мозга, значимым образом задействованный в формировании воспоминаний.

Другое любопытное применение двунаправленных нейронных интерфейсов – это изменение прочности связей между участками мозга – феномен, известный как нейропластичность. Здоровый мозг делает это естественным образом: то, что мы узнаем каждый день, отражается в изменении связей между сигналами, входящими из мира и посылаемыми обратно. Именно такое взаимодействие стоит за физическими изменениями мозга, которые позволяют учиться. С двунаправленными нейронными интерфейсами мы можем менять отношения между входом и выходом, а значит – менять мозг.

Это основано на идее, которую нейроученый Дональд Хебб высказал в 1940-х годах, – ее часто формулируют так: «Нейроны, которые разряжаются одновременно, связываются друг с другом». Другими словами, когда две сети мозга активны одновременно, нейронные связи между ними укрепляются. Так как двунаправленный интерфейс искусственно связывает входы и выходы, он должен усилить связи мозга между этими участками.

Эксперименты над обезьянами показали, что это действительно работает. Участки в коре, отвечающие за различные движения руки (например, согнуть или выпрямить кисть) оказались связаны. В течение нескольких дней они были соединены с помощью двунаправленного интерфейса. Впоследствии в мозгу обнаружили новую схему движения, что позволило сделать вывод о формировании нового пути, связывающего участки.

Становится все понятнее, что нейроные импланты по-разному используют нейропластичность. Когда мозг учится контролировать роботизированную руку с помощью импланта, он эффективно приобретает новый навык, наподобие того, как пользоваться инструментом. Даже если нейроны, управляющие роботизированной рукой, не перемещали настоящую руку именно таким образом, мозг достаточно умен, чтобы разобраться, как это сделать, сопоставив результаты. Действительно, если обезьянам показывают курсор компьютера, который приводится в движение одним-единственным нейроном, всего за несколько минут они учатся повышать и снижать активность этого нейрона для достижения различных целей. Примечательная способность мозга учиться через «обратную нейронную связь» – это ценная способность, которую стоит исследовать при подключении устройств к мозгу.

Теоретически, если считать нейронные импланты инструментами, мы не ограничены заменой утраченных функций. Однажды мы сможем усилить функции или добавить новые. Возможно, мозг научится подсоединяться к компьютерам напрямую и получать информацию из всемирной паутины без клавиатуры и монитора. Или даже подключаться к мозгу других людей и передавать мысли.