Кіборгізація - сталеві гризи людства

Люди з біонічними кінцівками сьогодні поки ще виглядають трохи фантастично.

Галузь, що створює штучні органи і кінцівки, штурмує все нові рубежі. Незабаром її новітні досягнення вийдуть зі стін провідних лабораторій і компаній, що розробляють роботизовані протези, і постануть перед глядачами на спеціалізованому змаганні - Кібатлоні. Звідки взялася така необхідність і в чому суть змагання, ми і постараємося розібратися.

Уявіть собі ситуацію: ви досвідчений велосипедист, можливо, велогонщик. Щорічно ви проїжджаєте кілька тисяч кілометрів на своєму двоколісному другому. Але трапляється неприємність: вас збиває машина або ви зриваєтеся з обриву, або просто невдало падаєте - травма вам забезпечена. Можливо, вам пощастить, і ви станетеся забоєм, а якщо зламані кістки або порвані сухожилля? Є й більш страшні травми, пов'язані з ушкодженнями хребта, - їх настільки ж легко отримати за кермом, на виробництві, на операційному столі. Після них людина змушена пересісти в інвалідний візок і назавжди забути про те, що колись була вільна в рухах.

Ще не так давно це був би вирок. Зараз же людині навіть після важкої травми можна знову повернути можливість їздити на велосипеді. До послуг постраждалих не тільки сучасні досягнення в галузі нейрохірургії і нейротерапії, але також прийшли з військової галузі екзоскелети і розроблені на громадянці нейропротези (правда, без військових і космосу справа і тут не обійшлося). І для того, щоб їх продемонструвати, 8 жовтня 2016 року в Швейцарії стартує Кібатлон.

Нейропротезування на марші

У мережі досить багато відео, що показують експерименти паралізованих людей з управління нейропротезами. Щоб це взагалі стало можливим, вченим знадобилося досить довго експериментувати. За останні 15 років були досягнуті хороші результати: щур, забезпечений нейроінтерфейсом, зміг роботизованою рукою натиснути на перемикач; мавпи за допомогою мозкових комп'ютерних інтерфейсів змогли грати у відеоігри. Нарешті, паралізована людина змогла керувати нейропротезом, просто подумавши про її переміщення. Вражаюче досягнення для галузі, яка буквально на наших очах хвалилася тим, що змогла за допомогою зовнішнього чіпа управляти відносно просто кодованими переміщеннями таргана.

І все ж тут є одна складність: переміщення протеза відбувається тоді, коли на нього дивляться. Людина повинна повністю зосередитися на переміщенні об'єкта. Це не тільки фізично скрутно і вимотує, переміщення відбувається повільно. Проблема в тому, що людина не відчуває стан переміщуваного об'єкта, у неї немає з ним зворотного зв'язку. Саме це, разом з незручністю управління, стримує масове впровадження такого роду пристроїв. Людина, яка втратила кінцівку, наприклад, руку, починає стикатися з тим, що через відсутність чутливості у протеза, будь-які її дії можуть бути пов'язані з руйнуваннями - ламаються предмети вжитку, псується їжа, - використання стає незручним.

Для вирішення цієї проблеми нейропротези починають робити двонаправленими: тепер людина не просто віддає протезу команду, а й відчуває, що з нею відбувається під час її виконання. Для цього необхідно, з одного боку, зрозуміти, які ділянки мозку що «відчувають» при здійсненні різних дій, а з іншого - навчитися передавати «почуття-сигнали», зняті з виконуючого певну команду протеза, прямо в мозок людини, що управляє ім. Не найтривіальніше завдання, і дослідники намагаються вирішити її різними способами: стимуляцією нервів втраченої (не працюючої) кінцівки, перенаправленням нервових імпульсів в іншу частину тіла, звідки вже можна знімати і обробляти сигнал, і, нарешті, прямою передачею сигналів в мозок. У будь-якому випадку, саме цей етап був оголошений багатьма дослідниками найважливішим, що дозволяє наблизитися до вирішення завдання створення повнофункціонального протеза, чия робота походила б на роботу природної кінцівки.

Наявні на даний момент протези забезпечені «зворотним зв'язком», навіть найпростіші: людина завжди може відчути тиск в частині з'єднання протеза з тілом і таким чином зрозуміти, нехай і побічно, що з ним відбувається. Для тих, хто використовує моторизовані протези, ситуація ще більше полегшується: керуючи протезом за допомогою сміттєвих імпульсів, люди не тільки відчувають тиск у місці з'єднання протеза і тіла, але і чують зміни в роботі мотора, коли протез щось захоплює або переміщує. Кілька років тому розробники пропонували також використовувати у вигляді зворотного зв'язку стимуляцію нервів у місці з'єднання, вібрацію і/або тиск повітря.

Проблема в тому, що все це неприродно для людини, протез не відчувається частиною тіла. Тому реалізація зворотного зв'язку - важке завдання. По суті, необхідно не просто відтворити «пропріоцепцію» - почуття знаходження кінцівки в просторі, - але і записати її в необхідні ділянки мозку. І якщо перше питання технічно вирішуване - сучасні протези оснащені купою датчиків, які дозволяють це зробити, - то ось з другим - проблема.

Ось, наприклад, як це було вирішено в Університеті штату Юта: електроди приєднувалися до нервів у місці з'єднання протеза, а потім відбувалася стимуляція нервових закінчень за допомогою слабких електричних струмів. Таким чином, пацієнт відчував, ніби його пальці рухаються або навіть щось чіпають. Добре, а як відчути, що саме ви чіпаєте і переносите? Потрібно проаналізувати зусилля, яке прикладають пальці протеза, і їх положення в просторі. Далі це аналізує комп'ютер, і вже потім відбувається чергова стимуляція нервів. Цим шляхом пішли у Флоридському міжнародному університеті (Florida International University, FIU) в Маямі. Інші дослідники вирішили відмовитися від стандартних електродів, боячись того, що вони так чи інакше пошкодять нерви, і створили замість цього електрод-манжету, яка обертається навколо нерва. Випробування подібного електрода, розробленого в CWRU, пройшли успішно.

Якими б багатообіцяючими не були отримані результати, необхідно взяти до уваги те, що розробникам необхідно стимулювати сотні нервових закінчень, щоб симулювати відчуття, які відчуває людина з нормальною робочою кінцівкою. Крім усього іншого, протез повинен працювати дійсно довго. Адже у випадку, коли він з'єднаний безпосередньо з нервами, для його заміни доводилося б раз по раз вдаватися до хірургічної операції. Щоб уникнути цих проблем, інші розробники вирішили, що сенсорна віддача повинна відбуватися через шкіру.

Розробці цього методу допоміг випадок. У 2002 році, в Центрі біонічної медицини при Чиказькому інституті реабілітації для одного з пацієнтів була розроблена процедура «цільової іннервації» м'язів грудей. Замість стимуляції нервового закінчення в місці приєднання протеза було вирішено «перенаправити» його в м'язи грудей. Таким чином, пацієнт думав про переміщення протеза кінцівки, але іннервації піддавалися нерви грудних м'язів. Експеримент закінчився успіхом і, на подив багатьох, пацієнт зміг не тільки переміщати протез, але і відчувати дотик протеза до предмета так, як ніби хтось торкався його грудей. З'ясувалося, що хоча іннервації зазнали частини шкірних нервів, мозок сприймав отримані імпульси як дотик долоні і пальців. Розроблений для DARPA протіз руки зі зворотним зв'язком, що симулює чутливість долоні і пальців.

Цей метод, при всьому новаторстві, не ідеальний, сильно залежить від кожного конкретного випадку (люди не є точними клонами один одного, розташування нервових закінчень індивідуально, спектр нервових імпульсів індивідуальний, так що в кожному новому випадку довелося б виробляти підгонку нейропротезу під пацієнта), а область стимуляції обмежена невеликою ділянкою шкіри. Тим не менш, деякі фірми (наприклад, HDT Robotics) вже зараз розробляють подібні протези.

Однак жодна з перерахованих технологій не здатна поліпшити становище паралізованих пацієнтів, у яких через травми або чогось іншого розірвані нервові зв'язки між мозком і тілом. Тому деякі дослідники дійшли висновку про необхідність прямої стимуляції нейронів тієї частини мозку, яка в природному стані відповідає за необхідну кінцівку або її частину.

Зробити це надзвичайно складно, тому що на даний момент точно не цілком відомо, які саме це нейрони. А значить, можливі варіанти: ідентифікувати їх та імітувати імпульси або ж навчити необхідної реакції довільні нейрони мозку.

У першому випадку експериментатори розміщують мавпи в мозок електроди і, наприклад, змушують її відстежувати очима якийсь предмет. Інформація про це записується, аналізується, а після, дослідники намагаються стимулювати саме ті ділянки/нейрони в її мозку, які були активні під час відстеження предмета. Згідно з однією з доповідей, вже в 2012 році дослідники з Чиказького університету зуміли практично реалізувати цей метод.

Другий випадок нагадує вироблення умовного рефлексу. У медшколі Університету Дюка мавпи, переміщуючи віртуальну кінцівку, яка захоплювала на екрані об'єкти різної форми, отримували стимуляцію певних нейронів головного мозку. Низькочастотну, якщо вони захоплювали предмет з грубою рельєфною поверхнею, і високочастотну, якщо він був гладкий. З часом мавпи швидко вивчилися вибирати відповідний предмет залежно від частоти поданих для збудження нейронів імпульсів. Більш того, їх навчили відчувати вибираються предмети - грубі вони або ж гладкі.

Однак ні в першому, ні в другому випадку не було зрозуміло, що ж конкретно відчували мавпи, і наскільки це було для них природно.

Безвідносно того, які сигнали для іннервації використовуються, дослідникам і винахідникам необхідні більш точні інструменти. Якими б точними, мініатюрними і гострими не були електроди, вони стимулюють абсолютно всі нейрони, розташовані близько до них. Це може призвести до ненавмисних наслідків, коли почуття або рух, який повинен виникнути, скажімо, у великому пальці, раптово виникне в мізинці або безіменному.

Тому деякі дослідники пішли ще далі і почали використовувати оптогенетику, вводячи білки, чутливі до світла, безпосередньо в ті ділянки мозку, які повинні були піддаватися стимуляції. Експеримент, як зазвичай проведений на мавпах, спочатку навчав тих здійснювати ряд дій, які б стимулювали ділянки мозку, в які були введені протеїни, а потім відбувалася стимуляція даних ділянок за допомогою джерела світла, вмонтованого в череп мавпи. Мавпи здійснювали необхідні дії в 90 відсотках випадків. Однак наскільки б багатообіцяючою не була ця стратегія, реальні досягнення, на думку вчених, будуть видно тільки років через 10 - 20.

Природність відчуттів

Навіть якщо подібні технології запрацюють вже завтра, не ясно, наскільки сильно вони зможуть наблизитися до імітації природних відчуттів. Деякі дослідники вважають, що до нової «штучної природності» шлях чекає неблизький. Водночас інші наполягають на тому, що пацієнтам не особливо потрібна саме така виняткова природність відчуттів.

Багатьом з них просто необхідні зручні у використанні нейропротези. Наприклад, пацієнти, що носять кохлеарні імпланти, раді вже тому, що можуть розрізняти людську мову і що-небудь чути, навіть якщо не можуть розібрати тонкощі звучання музичних творів.

Водночас військові не шкодують грошей на вдосконалення інтерфейсів. У рамках тільки однієї з дослідницьких програм Міноборони США було витрачено понад 140 мільйонів доларів за кілька років на розробку навороченого протеза, оснащеного більш ніж сотнею датчиків, які повинні дозволити домогтися природних відчуттів для носія протеза.

Популярність керованих і стимулюючих мозкову активність нейропротезів зростає, проте регулятори, і не тільки в США, поки не особливо охоче дають дозвіл на використання такого роду пристроїв в медичних цілях. У той же час, процес почався і далі піде швидше, тим більше що результати вже вражають. Після вживлення системи імплантів, які забезпечили двонаправлений зв'язок між мозком і м'язами, паралізований Іен Беркхарт зміг рухати окремими пальцями і здійснювати шість різних рухів передпліччям і пензлем.

Так, квітень 2016 року приніс цікаву і обнадійливу новину: людині з паралічем всіх кінцівок зуміли частково повернути рухову активність. Іену Беркхарту з міста Дублін (штат Огайо), вживили систему імплантів, які забезпечили двонаправлений зв'язок між його мозком і м'язами. Система дозволила юнакові зі зламаним хребтом реанімувати свою праву руку, куп'ястя і пальці. Роботи під керівництвом Чеда Баутона (Chad Bouton) з Інституту медичних досліджень Файнстайна (Feinstein Institute for Medical Research) велися протягом двох років.

Під час попередніх досліджень було зроблено висновок про те, що після пошкодження хребта людський мозок перебудовує свої нейронні зв'язки. Нова робота дозволила уточнити, що ступінь перегрупування нижче, ніж передбачалося. Це дало надію припустити, що змін не настільки багато, щоб не можна було обійти пошкоджені ділянки спинного мозку для відновлення руху. Як ми вже знаємо, подібний обхід вже проводився раніше, зокрема на мавпах. Це використовувалося для переміщення нейропротезів. Однак вперше за допомогою такої технології у людини була реанімована його власна частина тіла.

Як цього вдалося домогтися? Батон і його колеги зробили Беркхарту функціональне магнітно-резонансне сканування (ФМРС) мозку в той момент, коли він уявляв собі рух рук. Це дозволило точно визначити зону рухового кортексу і зв'язати окремі її ділянки з цими рухами. Хірургічним чином імплантований чіп дозволяв виділити певний патерн сигналів, який проявлявся тільки тоді, коли пацієнт починав думати і представляти конкретну рухову активність (в даному випадку - рух рукою). Імплантований чіп був приєднаний до комп'ютера, на який вся ця інформація записувалася. Зібрана інформація оброблялася за допомогою алгоритмів машинного навчання, після чого перетворювалася на послідовність електричних імпульсів, які подавалися на гнучкі манжети, надягнені Беркхарту на праву руку і стимулюючі її мускули. Буквально в перший же день, коли їх підключили, пацієнт зміг здійснювати рухи і стискати долоню.

Підсумок численних тренувань - Беркхарт зміг реанімувати рух окремих пальців правої руки і кілька рухів рукою і комою. Він навчився не тільки брати склянку води, але навіть грати у відеогру.

Проведене дослідження надихає, оскільки виходить, що, незважаючи на пошкодження хребта і розрив нервових зв'язків з кінцівками, мозок не встиг протягом декількох років перебудувати вже «налаштовані» ділянки. Вони і через кілька років після травми відповідали за рух рук.

Більше того, через кілька років після травми, при практично повному паралічі, мозок Беркхарта зумів навчитися координувати дії своєї реанімованої руки. Чим довше і більше він вчився нею керувати, тим краще ставала ця координація, тим впевненіше руху. Розроблений Батоном машинний алгоритм враховував ці зміни і гнучко пристосовувався, роблячи рухи пацієнта все більш і більш точними.

Є і складнощі. Система є лабораторною і при кожному запуску вимагає перекалібрування. Однак це процес суто технічний, і його сподіваються, врешті-решт, вирішити.

Крім того, Беркхарт не відчуває об'єкти, якими маніпулює. Таку можливість йому можна було б спробувати забезпечити, наприклад, за допомогою шкірної іннервації, про яку писалося вище.

Однак досі залишається питання, що робити в разі повного паралічу, коли людина не може поворухнути ні єдиним м'язом?

Кібатлон, звичайно ж, не може відповісти на це питання. Тим не менш, привертаючи увагу до проблем інвалідів, до того, з чим їм щогодини доводиться мати справу, змагання може сприяти більш активному вирішенню цих проблем. І тоді, через якийсь час, можливо, зламаний хребет, втрачена кінцівка, дегенеративні нервові захворювання, паралічі перестануть бути стигмою, через яку людину розглядають як неповноцінну.

Народження кіборгів

Власне, саме через з'єднання людського тіла і нейропротези і народився термін кіборгізація, який відмінно підходить для опису того, в якому напрямку рухається протезування людських кінцівок: пряме з'єднання з людською нервовою системою (в першу чергу, з периферичною), дослідження мозкових інтерфейсів, виділення шаблонів (патрі) сигналів нервової активності при здійсненні різних рухів, створення алгоритмів швидкого машинного навчання, для того, щоб пристосувати нейропротези до індивідуальних особливостей кожного людського тіла.

Але, незважаючи на активні дослідження, у всіх у них були мінуси. Вони не були соромлені або ваговими і габаритними обмеженнями, або - економічними міркуваннями. Це призвело до того, що вартість зручних нейропротезів зашкалює за позначку в кілька десятків тисяч доларів. Це різко обмежує можливість їх масового застосування. Відсутність масового застосування визначає обмеження за завданнями, які повинні вирішувати нейропротези. Як наслідок, вони виявляються не просто дорогими, а й не цілком зручними для своїх носіїв. А «цивільні» - порівняно з військовими аналогами - ще й малопотужними. Наприклад, функціонально-електрична стимуляція (FES), яка заснована на знятті м'язового електроімпульсу для контролю і координації руху кінцівок, зокрема ніг, у цивільному варіанті для велосипедистів дає не більше 20 Вт виробленої потужності. Це всього лише 1/10 частина того, що виробляє натренований велосипедист, коли крутить педалі. І все ж, навіть ці скромні результати відкривають величезні можливості для тих, хто був занадто довго позбавлений будь-якої можливості рухатися.

Машинне навчання

У Кібатлоні візьмуть участь 80 дослідницьких груп з 25 країн. Вони представляють весь спектр сучасної індустрії - від маленьких стартапів, до найбільших світових виробників навороченіших протезів. До їх складу входять приблизно 300 вчених-дослідників, інженерів, членів служб підтримки і, нарешті, учасників змагань. Останнім належить змагатися в шести дисциплінах, які насамперед передбачають здатність здійснювати настільки звичні для багатьох, рутинні дії. Одне зі змагань володарів ручних протезів на Кібатлоні в Швейцарії, в липні 2015 року.

Змагання серед тих, у кого ручні нейропротези, будуть одними з перших. Учасники змагатимуться, наприклад, у приготуванні їжі. Власників ножних протезів чекає змагання з подолання сходових сходинок тощо.

Місце проведення Кібатлону - цюріхський хокейний стадіон на 7600 глядачів. Організатори змагань сподіваються привернути до заходу таку ж увагу, як і до Паралімпійських ігор, тому нестачі в репортерах не буде. Принаймні, так обіцяють.

Різниця в тому, що Паралімпійські ігри прославляють нехай скалічене, але людське тіло атлетів, яких постачають комерційно доступними протезами і пристроями. Кібатлон же основний акцент робить саме на технологіях і технічних новинках. Тому, учасників змагань тут називають пілотами - за аналогією з випробувачами техніки, - а не атлетами.

Більшість кібатлоністів змагатимуться, використовуючи протези, які буквально вчора вийшли з надр лабораторій. Тому багато хто сподівається, що пристрої і технології, випробувані в змаганнях, прискорять розробки нових нейропротезів, і, в кінцевому рахунку, це посприяє масовому впровадженню новинок по всьому світу.

Щоденні завдання, в яких змагатимуться пілоти, за словами Роберта Рінера (Robert Riener), інженера в галузі біомедичних технологій зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (нем. eidgenössische Technische Hochschule Zürich), а за сумісництвом творця Кібатлона, легкими тільки здаються. У цьому з ним не можна не погодитися: багато стандартних для нас дій - утримати рівновагу на слизькій поверхні, швидко нарізати їжу, одягнутися, почистити зуби і навіть сходити в туалет - для багатьох інвалідів є складними.

У певному сенсі ми всі розпещені сучасною культурою «супертіла у суперлюдів», яку можна знайти в будь-якому сучасному блокбастері. Уявити, що для великої кількості людей кожен прожитий день - це пекельна праця і подвиг - складно, але можна. Сама концепція Кібатлона в прямому сенсі слова виросла саме з такого героїзму. У 2012 році Зак Воутер (Zac Vawter), який втратив ногу в мотоциклетній аварії, використовував експериментальний ножний протез, щоб забратися на 103-й поверх Вілліс Тауер (Чикаго) за 45 хвилин. «Так, я можу», - ясно читалося в події, це прикувало увагу преси, а через неї - і дослідників. Саме ця подія надихнула Рінера на організацію Кібатлона: чому б не влаштувати змагання, відкриті для всіх, хто бере участь у розробці протезів, де увага була б прикута до технології, а не до учасника змагання?

Рінер просто запропонував це у своїй лабораторії. Ідея всім сподобалася і незабаром зажила своїм життям.

Спочатку Кібатлон передбачалося зробити схожим на змагання паралімпійців. Наприклад, сходження на гору за допомогою ножних або ручних протезів. Однак надалі рішення змінилося під впливом ближчого знайомства організаторів з реальними проблемами більшості власників протезів: незручність їх носіння, проблеми з використанням і налаштуванням, проблеми з управлінням. Все це разом узяте призвело до того, що з олімпійських небес одиниць було вирішено спуститися на землю мільйонів. Адже вирішення щоденних проблем більш важливе, ніж розробка чергового крутого протезу для спринтера, який би просто став бігати швидше за всіх на світі. Так Кібатлон став принципово не олімпійським.

Міць мізка Змаганнях інтерфейсів мозок - комп'ютер.