Преобразующий потенциал компьютерных мозговых имплантатов

Радикальные достижения в области нейротехнологий помогают людям с ограниченными возможностями ходить и могут стать связующим звеном между человеческим и искусственным интеллектом.

Семь лет назад Мишель Роккати во время езды на мотоцикле под Турином резко свернул, чтобы объехать животное, и врезался в придорожную скамейку. По словам Роккати, в результате аварии у него "взорвались кости в спине", был перебит спинной мозг и нарушена связь между мозгом и ногами.

"Врачи сказали мне тогда, что я никогда больше не смогу стоять, не говоря уже о ходьбе", - говорит 32-летний Роккати. Однако вот он активирует серию электродов, которые нейрохирурги в Лозанне протянули вдоль его спинного мозга в ходе передовой операции, проведенной в 2020 году.

Его тело слегка вздрагивает на секунду-другую, и он поднимается со стула, уверенно шагая по комнате, хотя и держась за ходунки для равновесия. "С каждым днем моя способность ходить улучшается, поскольку мышцы становятся сильнее, а нервы постепенно восстанавливаются", - говорит он.

Роккати - один из растущей группы людей, пользующихся радикально новыми формами нейротехнологий, которые разрабатываются в университетах и лабораториях компаний в Европе и Северной Америке и используют компьютерные имплантаты для взаимодействия с мозгом и центральной нервной системой человека.

Такие нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) позволяют преодолевать нейронные препятствия, мешающие людям, получившим тяжелые повреждения в результате несчастного случая или болезни, двигать конечностями, а также позволяют общаться тем, кто не может говорить или работать с клавиатурой.

По словам Майкла Мейджера, руководителя компании Precision Neuroscience, занимающейся разработкой медицинских НКИ в США, в течение нескольких лет НКИ могут превратиться в рынок стоимостью несколько миллиардов долларов в год для лечения пациентов с тяжелыми двигательными нарушениями в результате травм или болезней.

Долгосрочные последствия гораздо серьезнее. "Мы создаем связь между человеческим и искусственным интеллектом", - говорит Магер. "Возможно, единственным применением этой фундаментальной связи станет паралич, но я думаю, что это очень маловероятно".

В 2016 году Илон Маск основал компанию Neuralink - самую известную компанию в области НКИ - с целью разработки технологии общего назначения для соединения человеческого мозга и машин.

Маск уже давно говорит о том, что с помощью таких связей можно объединить человеческий интеллект с искусственным интеллектом. Например, он утверждает, что значительное увеличение скорости, с которой мозг может поглощать и передавать информацию, может преодолеть то, что он считает одним из главных ограничений на способность человека идти в ногу с развитием машинного интеллекта.

Но задолго до наступления будущего с киборгами, о котором мечтает Маск, многие специалисты в этой области предсказывают, что технология будет использоваться в более практических целях для преодоления физических ограничений и повышения индивидуальной производительности, например, для обострения зрительных и слуховых способностей людей или улучшения памяти.

"Мы еще далеки от этого, но я не думаю, что трудно представить, что со временем эта технология будет использоваться людьми, которые в остальном здоровы", - говорит Магер, который стал одним из основателей Precision в 2021 году вместе с Бенджамином Рапопортом, одним из основателей Neuralink.

Технические препятствия по-прежнему велики. Сбор, экспорт и интерпретация сигналов мозга все еще находятся в зачаточном состоянии, а инвазивная операция на мозге исключает возможность использования этой технологии всеми пациентами, кроме тех, кто страдает тяжелыми формами инвалидности.

В то же время технология поднимает серьезные этические вопросы. "Медицинская сторона уже хорошо защищена регулирующими органами и существующими нормами", - говорит Рафаэль Юсте, директор Центра нейротехнологий Колумбийского университета в Нью-Йорке. "Но технология будет разрастаться и распространяться на немедицинскую сторону", - добавляет он, ставя новые серьезные вопросы о том, как далеко можно зайти в усовершенствовании людских способностей, например, памяти.

Однако в лабораторных условиях использование сигналов мозга для активации компьютеров и других машин - то, что еще недавно казалось научной фантастикой, - становится почти обычным делом, что ставит технологию на путь, который может иметь долгосрочные последствия.

"Это поворотный момент для человечества", - говорит Юсте. "Впервые у нас есть технология, которая может изменить суть нашей сущности, проникнув в мозг - орган, генерирующий все наши умственные и когнитивные способности".

_________

Нейрохирурги по всему миру уже несколько десятилетий имплантируют электроды в мозг человека в качестве лечения болезни Паркинсона и других двигательных расстройств, успокаивая нерегулярную электрическую активность, вызывающую некоторые симптомы. Более 160 000 пациентов прошли подобную "глубокую стимуляцию мозга".

Но новая волна нейронных имплантатов гораздо сложнее, они обеспечивают двустороннюю связь между мозгом и устройством, говорит Жослин Блох, нейрохирург из Университетской больницы Лозанны. Она оперировала Роккати и другого пациента с параплегией Герта-Яна Оскама, у которого в мозгу и позвоночнике установлены два имплантата, обменивающиеся данными по беспроводной связи через "цифровой мост".

Потенциальный спрос огромен. Помимо того, что импланты дадут тяжело парализованным людям возможность общаться и двигаться, они могут найти применение в медицине: от решения проблем потери зрения и слуха до улучшения лечения хронических болей и психических заболеваний, предоставляя врачам точную и подробную картину происходящего в мозге.

Тем не менее, до сих пор лишь немногие медицинские НКИ были имплантированы людям, поскольку новаторские академические и корпоративные лаборатории медленно работают над доказательством их безопасности и эффективности. "Мы двигаемся осторожно, пациент за пациентом", - говорит Анри Лорах, который руководит клиническими испытаниями вместе с компанией Bloch в Лозанне.

Хотя внешние НКИ, размещаемые на коже или скальпе, могут в определенной степени обнаруживать и модулировать нейронную активность, "единственный способ регистрировать ее с высокой точностью и в течение длительного времени - это устройство, размещаемое хирургическим путем под черепом", - говорит Лей Хохберг, директор Центра нейротехнологий при Массачусетской больнице общего профиля и руководитель долгосрочной исследовательской программы НКИ BrainGate.

По оценкам Хохберга, с тех пор как 20 лет назад начались клинические исследования, только 50 или около того пациентов в мире получили долгосрочный протезный имплантат мозгового компьютера. Чтобы ускорить клинические разработки, в этом году он вместе с коллегами из США создал сообщество Implantable BCI Collaborative Community, к которому в качестве одного из ключевых участников присоединился регулирующий орган - Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств.

"Поскольку мы узнаем очень много нового от каждого участника этих пилотных клинических испытаний, я не думаю, что нам понадобится большое количество пациентов, участвующих в испытаниях, демонстрирующих безопасность и эффективность, прежде чем подавать заявку на получение разрешения регулирующих органов", - говорит Хохберг. "Может быть, десятки пациентов, но уж точно не тысячи, которые часто участвуют в испытаниях новых препаратов".

Европа - в частности, Швейцария - занимает значительное место в индустрии имплантатов НКИ. Две компании, Onward Medical и Neurosoft Bioelectronics, являются выходцами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), ведущего академического центра нейротехнологических исследований на континенте. Третья компания, InBrain Neuroelectronics из Барселоны, разрабатывает имплантаты из графена - листа углерода толщиной всего в один атом, который после открытия в 2004 году был назван чудо-материалом.

Но эксперты по обе стороны Атлантики сходятся во мнении, что у американских компаний НКИ есть преимущество перед их европейскими коллегами.

В США легче финансировать и создавать надежные компании, говорит Дэйв Марвер, американский лидер в области медицинских технологий, который присоединился к Onward в Лозанне в качестве исполнительного директора. "В США больше управленческих кадров с большим опытом коммерциализации на мировом рынке, там больше финансирования и разные режимы регулирования".

По словам Марвера, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США лучше подготовлено к одобрению клинических испытаний НКИ, чем его европейские коллеги. Когда он пришел в Onward в 2020 году, - рассказывает он, - "у компании не было ни клинических площадок, ни планов по коммерциализации в Европе, поскольку это было дорого и сложно". Он быстро изменил эту политику. Он сказал: "У нас здесь есть парализованные люди, у нас здесь штаб-квартира, и мы будем заниматься коммерциализацией здесь".

Среди полудюжины американских компаний, тестирующих имплантаты НКИ, "Илон Маск, несомненно, наш самый большой конкурент", - говорит Грегуар Куртин, возглавляющий исследования в области нейротехнологий в EPFL. Но он настаивает на том, что Onward, которая привлекла чуть более 170 млн евро с момента своего основания в 2014 году, может сравниться с Neuralink Маска, которая привлекла $687 млн финансирования, согласно данным PitchBook.

Neuralink - самая известная в СМИ компания в области нейротехнологий и наименее прозрачная. Она общается с общественностью через случайные твиты и записи в блогах. После многочисленных испытаний на животных первый испытуемый Neuralink, 30-летний параплегик Ноланд Арбо, получил имплантат Link в январе в Неврологическом институте Барроу в Аризоне.

В видеороликах и блогах, опубликованных Neuralink, Арбо восторженно рассказывал о том, как Link позволил ему управлять компьютерным курсором. "Это дало мне возможность снова делать все самостоятельно, не нуждаясь в помощи семьи в любое время дня и ночи", - сказал он.

В течение нескольких недель после операции многие из 64 гибких записывающих проводов, которые были проведены через мозг Арбо, отсоединились. Инженеры Neuralink исправили ситуацию, запрограммировав устройство на более высокую чувствительность к нейронной активности. В настоящее время компания отбирает второго добровольца, которому будет установлена улучшенная версия Link с электродами, более надежно закрепляющимися в мозге, и, возможно, это случится уже в этом месяце.

Конкурирующие нейротехнологические компании значительно различаются по типу электродов, которые они вживляют в мозг. Исследователи имеют наибольший опыт работы с так называемым массивом Юты - жесткой сборкой из 96 электродов, которая уже 20 лет используется академическим консорциумом BrainGate.

В последнем исследовании BrainGate на людях, опубликованном в журнале Nature в августе прошлого года, в кору головного мозга 68-летней пациентки с боковым амиотрофическим склерозом Пэт Беннетт были помещены два массива размером с небольшую таблетку аспирина, содержащие в общей сложности 128 электродов. Она потеряла способность говорить.

Алгоритм искусственного интеллекта расшифровывает ее нейронную активность, обучаясь различать паттерны, связанные с формулировкой отдельных фонем - составных частей разговорного английского языка. Затем языковая модель преобразует поток фонем в последовательность слов, которые можно вывести на экран компьютера или произнести синтетическим голосом со скоростью около 60 слов в минуту с приемлемой точностью.

"Представьте себе, насколько изменится ведение повседневной деятельности, такой как шопинг, посещение встреч, заказ еды, посещение банка, разговор по телефону, выражение любви или признательности - даже спор, - когда невербальные люди смогут передавать свои мысли в режиме реального времени", - писал Беннетт в то время.

Другие лаборатории разрабатывают более гибкие и оказывающие минимум воздействия при внедрении НКИ. Компания Neurosoft Bioelectronics из Женевы тестирует ультратонкие, мягкие электроды, нанесенные на силикон, которые обхватывают складки поверхности мозга. Ее технология была успешно протестирована на трех пациентах.

Графеновый интерфейс InBrain имеет схожие преимущества. По словам Каролины Агилар, исполнительного директора компании, он "ложится на кору головного мозга, как кусок целлофана, не проникая в нее". Первые испытания на людях уже не за горами. Первой целью InBrain она видит болезнь Паркинсона, стремясь вытеснить устройства для глубокой стимуляции мозга с "низкой плотностью и низким разрешением", предлагаемые гигантами медицинской техники Boston Scientific и Medtronic.

Некоторые компании, занимающиеся разработкой НКИ, нацелены на медицинское применение не только для пациентов с ограниченными возможностями. Николас Вачикурас, исполнительный директор Neurosoft, считает, что 60 млн человек в мире страдают от сильного шума в ушах, что приводит к "тяжелой депрессии и даже попыткам самоубийства, при этом эффективного лечения на сегодняшний день не существует". Исследования компании предполагают, что причиной является аномальная активность в слуховой коре, создающая иллюзию тревожного шума, которую можно устранить с помощью нейромодуляции.

_________

Среди американских компаний у Synchron есть все шансы стать первой, кто выведет имплантат НКИ на рынок. Устройство, похожее на стент, вставляется в кровеносный сосуд и располагается над моторной корой - частью мозга, контролирующей движения. На данный момент устройство протестировано на 10 пациентах, и в ближайшее время ожидается публикация окончательных результатов, после чего будет проведено более масштабное клиническое исследование, которое, как надеется компания, приведет к одобрению FDA.

Хотя устройство не так чувствительно к нейронной активности, как у некоторых конкурентов, исполнительный директор Synchron Том Оксли говорит, что компания может быстрее получить разрешение на продажу благодаря технологии, которая не требует открытой операции на мозге. "Как эта технология может улучшить способность людей снова быть самостоятельными? Это и будет показателем успеха", - говорит он.

Ни один из имплантатов еще не достиг такого уровня развития, чтобы говорить о его стоимости, но руководители компании говорят, что цены должны отражать огромные потенциальные преимущества, которые технология дает пациентам с тяжелыми неврологическими расстройствами, чье медицинское обслуживание обходится очень дорого.

"Ключом к созданию жизнеспособной индустрии НКИ, а также к обеспечению доступа пациентов к этой технологии является страховое покрытие систем в размере, соизмеримом с суммой денег, потраченных на их разработку и поставку", - говорит Мейджер из Precision. "Это должна быть шестизначная сумма возмещения".

Мэтт Энгл, руководитель компании Paradromics из Техаса, разрабатывающей НКИ с большим количеством электродов, чем стандартный имплантат, прогнозирует, что первые устройства будут стоить "до 100 000 долларов", но "мы хотели бы достичь такого уровня, когда интерфейсы мозг-компьютер будут стоить примерно столько же, сколько сегодня стоят глубокие стимуляторы мозга - скажем, 30 000 долларов".

Заглядывая в будущее, Энгл предсказывает, что одно только медицинское применение НКИ создаст рынок стоимостью в сотни миллиардов долларов - хотя многие другие эксперты в этой области говорят, что еще слишком рано говорить об этом. "Потенциал для развития дюжины компаний, каждая из которых будет стоить более 1 млрд долларов, - говорит он, - и это еще до того, как НКИ начнут применяться для повышения эффективности работы человека в различных областях - от зрения до памяти".

Хотя такие прорывы будут зависеть от дальнейшего совершенствования датчиков и микроэлектроники, необходимой для улавливания и передачи сигналов мозга, многое зависит и от более широких достижений в области вычислительной техники и искусственного интеллекта. К ним относятся использование облачных вычислений и применение искусственного интеллекта для интерпретации сигналов мозга.

Куртин из EPFL говорит: "сегодня клинические испытания обрабатывают данные локально, но мы планируем, что в конечном итоге вся информация о мозге будет храниться в облаке, и мы сможем обучить большую языковую модель и создать GPT для мозга. Тогда мы сможем учиться на данных о мозговой активности множества людей".

Подобные проекты активизируют усилия специалистов в области этики по прогнозированию угроз, связанных с неправомерным использованием нейронных данных, полученных с помощью НКИ. ЮНЕСКО, научная и культурная организация ООН, созвала группу из 24 экспертов для разработки рекомендаций по этике нейротехнологий и подготовки документа для принятия странами-членами в следующем году.

Габриэла Рамос, возглавляющая инициативу ЮНЕСКО по нейротехнологиям, говорит: "Мы стремимся к тому, чтобы эти научные и технологические разработки соответствовали правам человека". По ее словам, это означает не только защиту конфиденциальности мыслей людей, раскрываемых с помощью НКИ. Например, будущие имплантаты могут изменить личность человека - в лучшую или худшую сторону - сильнее, чем существующие методы лечения мозга.

Юсте из Колумбийского университета, ярый сторонник "нейроправа", отмечает, что в некоторых юрисдикциях, таких как Чили и американский штат Колорадо, уже приняты законы, защищающие нейронные данные людей от использования.

Но его основные опасения связаны с немедицинским использованием технологии, например, для улучшения умственных способностей. Одним из способов защиты людей было бы "регулирование новых потребительских НКИ, как если бы они были медицинскими устройствами", - говорит он.

Для таких пациентов-первопроходцев, как Роккати, подобные опасения являются лишь теорией по сравнению с теми преимуществами, которые могут принести нейротехнологии. "Мой имплантат уже изменил мою жизнь, - говорит он, - и я с нетерпением жду, когда смогу воспользоваться будущими достижениями в области нейротехнологий. Так же как и тысячи других людей, которые не могут общаться или двигать конечностями, но в будущем смогут".