Нейроинтерфейсы: полный обзор

2025-07-04 16:19

По оценке ВОЗ, 1,3 миллиарда человек в мире живёт с инвалидностью. Если вдуматься, цифра эта шокируют — каждый шестой из нас в той или иной степени страдает из-за более низкого качества жизни. Многие получают инвалидность вследствие заболеваний неврологического характера — это может быть перенесённый инсульт, развивающиеся болезни Альцгеймера или Паркинсона. И одно из наиболее перспективных направлений, способных облегчить жизнь больному симптоматически, а в некоторых случаях решить вопрос более радикально, — лечение с помощью нейроинтерфейсов. Дополнительно подобные технологии открывают перед медиками внушающие восхищение исследовательские перспективы, но обо всём по порядку.

Нейроинтерфейсы, интерфейсы «мозг–компьютер» (BCI) и интерфейсы «человек–машина» (HMI): различие и взаимосвязь

Нейроинтерфейсы — широкий термин, который предполагает устройства, взаимодействующие с нервной системой (головным мозгом, спинным мозгом, периферическими нервами) в любой точке тела.

Интерфейсы «мозг–компьютер» (BCI — от англ. brain–computer interface), или интерфейсы «мозг–машины» (BMI — от англ. brain–machine interface), — это уже технологии, обеспечивающие связь непосредственно между головным мозгом и компьютером / роботизированной конечностью.

Нейроинтерфейсы и интерфейсы «мозг-компьютер» входят в категорию человеко-машинных интерфейсов (HMI — от англ. human machine interface; подробнее об их роли в здравоохранении мы писали тут). HMI предполагают устройства (датчики, пульты, экраны или панели), с помощью которых человек управляет оборудованием.

Поворотные точки в истории возникновения нейроинтерфейсов

18 век — медик Луиджи Гальвани во время опытов над лягушкой обнаружил, что мышцы сокращаются в результате электрического импульса, посылаемого мозгом. За это открытие Гальвани был признан родоначальником электрофизиологии.

1912 (1913?*) — физиолог Владимир Правдич-Неминский зарегистрировал первую электроэнцефалографию животного. ЭЭГ — метод, с помощью которого исследуют электрическую активность мозга.

1924 (1929?**) — психиатр Ганс Бергер впервые зарегистрировал ЭЭГ человека.

1964 — нейрофизиолог Хосе Дельгадо вживил радиодатчик stimoceiver в мозг быку, чтобы дистанционно управлять его эмоциями, в частности, нажатием кнопки учёный смог остановить несущееся галопом животное. Радиодатчик stimoceiver считается первым прототипом нейроинтерфейсов.

Типы BCI

Интерфейсы «мозг-компьютер» делятся на инвазивные, малоинвазивные (полуинвазивные) и неинвазивные.

Инвазивные требуют хирургического вмешательства, на текущий момент доступны только в рамках клинических испытаний. Имплантируются непосредственно в головной мозг. С одной стороны, это обеспечивает высокое качество сигнала и точность при размещении в конкретной области. С другой — предполагает сложную операцию на мозге со всеми вытекающими рисками, а также ограничение по времени эксплуатации. К инвазивным относят, например, стереоэлектроэнцефалографию (sEEG) с проникающими в глубокие области мозга электродами.
Пример: нашумевший нейрочип Neuralink Илона Маска или Utah Array от Blackrock Neurotech.

Малоинвазивные или полуинвазивные нейроинтерфейсы располагаются и регистрируют нейронную активность на поверхности мозга или внутри черепа. Считается довольно перспективным методом. Качество сигнала всё ещё лучше, чем при неинвазивном размещении устройства, но уже ниже, чем при погружении прямо в мозговую ткань. Такие устройства немного безопаснее инвазивных, но всё ещё существует ненулевая вероятность занесения инфекции, воспалительных процессов или рубцевания. К полуинвазивным относят электрокортикографию (ЭКоГ), эндоваскулярные электроды и функциональную ультразвуковую визуализацию (fUS — от англ. functional ultrasound imaging) для определения очагов мозговой активности.
Пример: нейроимплант Stentrode компании Synchron, система The NeuroPace RNS или система WIMAGINE.

Неинвазивные нейроинтерфейсы располагают на поверхности, без погружения в тело (например, на коже головы). Из плюсов — отсутствие рисков, сопутствующих хирургическому вмешательству. Минусы — ограниченная производительность в результате низкого соотношения сигнала и скорости передачи информации. Одни из самых понятных всем методов — ЭЭГ или магнитоэнцелография (МЭГ).

306-канальная МЭГ-система Elekta Neuromag. Источник изображения: Научно-образовательный центр нейрокогнитивных исследований

Функции BCI

Регистрация биоэлектрических сигналов (считываются при размещении электрода на коже, поверхности мозга или внутри него).
Обработка и интерпретация сигналов.
Преобразование сигналов в команду.

Области применения

По медицинским показаниям

Восстановление двигательной активности (управление роботизированными протезами или восстановлений функций опорно-двигательного аппарата с помощью экзоскелетов).
Частичное восстановление зрения (кортикальные и ретинальные зрительные протезы).
Частичное восстановление слуха (кохлеарные аппараты).
Улучшение когнитивных способностей (при возрастной деградации).
Снижение хронической боли.
Лечение последствий или симптомов неврологических заболеваний (например, уменьшение проявления тремора, возникшего в результате болезни Паркинсона).
Управление устройствами с помощью мыслей.

Для усиления собственных возможностей

Использовать нейротехнологии можно не только для улучшения функций, утраченных частично или полностью в результате возрастных изменений, травмы или перенесенных заболеваний. Развитие памяти, извлечение из неё большего объёма информации, усиление наших физических возможностей и т. д. — всё это можно применять и в повседневной жизни, в развлекательных целях, в игровой индустрии или спорте. Как пример: «распределяющая шляпа» от биотех-лаборатории Neiry, которая помогает школьникам определиться с будущей профессией.

Сравнение всех видов нейроинтерфейсов:

_{* Скоординированные колебания электрической активности в различных областях мозга часто указывают на эффективную связь между этими областями или на определенное когнитивное состояние.}
_{** Подкорковые микроэлектродные массивы.}
_{*** Глубокая стимуляция мозга (или DBS — Deep Brain Stimulation).}

Источник табл.: Exploration Journal

Текущие вызовы и проблемы BCI

Биосовместимость инвазивных нейроинтерфейсов

Когда речь заходит об инвазивных технологиях, остро встаёт вопрос с биосовместимостью. Поскольку инородные предметы, попадающие в живой организм, как правило, вызывают воспаление и рубцевание, что влияет на эффективную работу устройств. Способы решения: поиск более долговечных материалов, а значит, наиболее подходящих для изготовления нейроимплантов, миниатюризация устройств для уменьшения площади повреждения тканей.

Технические ограничения неинвазивных нейроинтерфейсов

Там, где с инвазивными интерфейсами возникают трудности на уровне их совместимости с живым организмом, неинвазивные интерфейсы пока несовершенны с точки зрения качества сигнала.

Этическая дилемма

Это даже не одна, а сразу несколько дилемм, к которым эксперты регулярно привлекают внимание учёного сообщества на международном уровне. Всё просто: там, где предполагается прямой доступ к мозгу человека, растёт и риск утечки информации и использования данных в корыстных целях сторонними лицами. Допустим, уже несколько лет существуют технологии, с помощью которых можно вычислить, какой эмоциональный отклик у испытуемого вызывает продукт. Легко себе представить, как это гипотетически могут использовать компании в своих маркетинговых интересах. Таким образом, в первую очередь сообщество беспокоит, как обеспечить пользователям конфиденциальность. Второй дискуссионный вопрос — как избежать социального неравенства и проработать доступность подобных технологий для малоимущих пациентов.

Перспективы BCI вне сферы здравоохранения

Технологическую революцию сулят различные носимые устройства — умные очки, гарнитуры, бейсболки, которые потенциально могут обеспечивать мониторинг нейронной активности нон-стоп, — а это большой потенциал для применения не только в медицине, но и в спорте или играх.

Ещё одно направление для развития нейроинтерфейсов — тактильное. С их помощью можно многократно усилить виртуальную реальность или усовершенствовать обратную связь при взаимодействии с робототехникой. Потенциально это могут быть носимые устройства с термоэлектрическими или пьезоэлектрическими приводами, передающие ощущение тепла, вибрации и т. д.

И одни из самых захватывающих дух — проекты, предполагающие слияние нейроинтерфейсов и искусственного интеллекта.

Профессор факультета нейрокогнитивных наук в Массачусатском университете Эвелина Федоренко задалась целью понять, как работают речевые центры. Она ставила задачу ChatGPT показывать испытуемому странные фразы, которые стимулировали бы речевые центры настолько сильно, чтобы они работали на максимальных оборотах, и на сканировании мозга таким образом обнаруживала точное место, где у испытуемого «живёт в голове речь». В будущем это можно будет использовать, например, для восстановления речевых функций пациентов, перенёсших инсульт, или нейрохирургам на операциях — для понимания точных зон речевого центра в мозгу конкретного пациента.***

Помимо очевидной пользы в сфере здравоохранения, такой симбиоз может открывать фантастические перспективы и при интеграции в городскую сферу, во взаимодействии с окружающей средой. Начиная от улиц с дополненной реальностью и вплоть до мысленного управления транспортом, роботами и другими устройствами, обменом мыслями человека с человеком или даже продуктивного взаимодействия с иными живыми организмами.

Источник изображения: Exploration Journal

_{* Дата в разных источниках отличается.}
_{** Дата в разных источниках отличается.}
_{*** На основании информации из}_{выпуска «Как люди и чат GPT находят общий язык»}_{подкаста «Голый землекоп» (автор: Илья Колмановский).}

Вероника Филушкина