Вокруг Света 2007 № 02 (2797) - [30]

Американцы из Института реабилитации инвалидов в Чикаго повторили разработку шотландцев, но позаботились о более ярком освещении события. Они провели аналогичные операции пятерым мужчинам и одной женщине, по имени Клаудиа Митчелл, потерявшей руку в дорожной аварии. Министерство обороны США уже заявило о планах предоставлять роботизированные руки солдатам, покалеченным во время военных действий.

Потенциал действия нейрона

Нейрон — нервная клетка, через которую передается информация в организме. Она представляет собой морфофункциональную единицу центральной нервной системы человека и животных. Нейроны соединяются друг с другом посредством синапсов, которые делятся на возбудительные и тормозные. Активность первых увеличивает возможность разряда нейрона, активность вторых — снижает. При достижении некоторого порогового уровня возбуждения нейрон генерирует электрический импульс, называемый потенциалом действия. По образному сравнению, ответ нейрона на активность всех его синапсов представляет собой результат своеобразного «химического голосования». После импульса примерно на тысячную долю секунды нейрон становится недееспособным. Этот период нужен для восстановления ресурсов клетки. Совокупность электрической активности нейронов создает вокруг мозга и нервных волокон слабое переменное электромагнитное поле, которое можно регистрировать, например, при помощи электроэнцефалографа.

Ящик Харви

И все же электроэнцефалограф и оба варианта механической руки не так впечатляют, как прямое хирургическое вмешательство в черепную коробку. Как бы качественно ни выполнять съем данных при помощи ЭЭГ, этот метод не позволяет выделять сигналы отдельных нейронов. Даже хирургическая точность при сопряжении нервных окончаний с контактами электродов механической конечности обеспечивает лишь достаточно грубые реакции.

В начале 1980-х годов в американском Университете Джонса Хопкинса группа под руководством Апостолоса Георгопулоса (Apostolos P. Georgopoulos) стала проводить опыты по регистрации активности одиночных нейронов. После двух с лишним лет в экспериментах на моторной коре головного мозга макак было обнаружено, что активность некоторых нейронов меняется, когда обезьяна двигает рукой в определенном направлении. Каждый нейрон настроен на свое направление, вызывающее у него максимальную активность. При отклонении от этого направления активность клеток снижается пропорционально косинусу угла. Стало ясно, что можно с большой точностью расшифровать сигналы группы нейронов, отвечающих за движение конечности.

Однако более точных результатов нейрофизиологи не могли добиться очень долго. Применяемые в то время электроды внешне напоминали швейные иглы. Они могли эффективно работать лишь несколько часов, пока у их кончиков не скапливались химические компоненты клеток, из-за чего чувствительность катастрофически падала. Кроме того, острие электрода с относительно большим диаметром повреждало нейроны даже при незначительных смещениях головы. Поскольку клетки головного мозга не генерируют болевые импульсы, определить наличие повреждений по реакции подопытного животного практически невозможно — дискомфорта оно не чувствует.

  

Дистанционно управляемая мышь Хилари с видеокамерой на спине. Имплантированные в мозг электроды заставляют ее по команде менять направление движения

Только в 1990-х годах в Университете Ханеманна Мигель Николелис (Miguel A. L. Nicolelis) и Джон Чэпин (John K. Chapin) применили гибкие электроды с тефлоновым покрытием и диаметром острия около 50 микрон. Результат оказался ошеломительным: удалось снять данные сразу с 48 нейронов головного мозга крысы. Причем одновременно регистрировалось как восприятие сенсорной информации, так и ответная регуляторная активность. Через некоторое время инженер-электронщик Харви Уиггинс (Harvey Wiggins) сконструировал устройство, которое обеспечивало выборочный анализ, фильтрацию и усиление нейронных сигналов. Этот аппарат был окрещен американскими нейрофизиологами «ящиком Харви» по аналогии с «волшебным ящиком» иллюзиониста Гудини.

Ящик Харви продемонстрировал свои возможности в первом же эксперименте Джона Чэпина. Крысу с вживленными электродами поместили в клетку с небольшой педалью, при нажатии на которую появлялась порция воды и пищи. Когда крыса научилась обеспечивать себя кормом, педаль отключили, а вместо нее к дозатору кормушки подключили ящик Харви. После некоторого привыкания крыса стала управлять кормушкой прямыми сигналами мозга. Затем педаль убрали вовсе. Это заставило крысу изрядно понервничать, но через некоторое время ее мозг сгенерировал алгоритм, соответствующий нажатию на педаль. Образно говоря, животное «представило» процесс нажатия. И кормушка сработала.

Из шести подопытных крыс четыре успешно освоили новый метод кормления. Очевидно, что в применении к человеку возможности такой технологии вообще неограниченны. Нужно только разработать методику получения алгоритмов для любого действия или психоэмоционального состояния. Инвалид, который мысленно управляет искусственной конечностью, «продумывая» необходимое действие, — и это лишь снежинка на вершине айсберга.