Киборги: Протезы рук, управляемые силой мысли

Американские учёные из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса при поддержке Агентства перспективных оборонных исследований (DAPRA), финансируемого Пентагоном, вплотную подошли к созданию киборга - человека, некоторые части тела и органы которого заменены механизмами. Звучит пугающе, но это действительно так: на очередном этапе долгосрочной программы по высокотехнологичному протезированию в мозг человека будут встраиваться микросхемы, позволяющие управлять протезом - электромеханической рукой - силой мысли, то есть точно так же, как если бы это была обычная "живая" рука.

Это далеко не первый проект по созданию искусственных конечностей, максимально приближённых к настоящим. В частности, уже существуют протезы, команды на которые передаются электрическими сигналами через мышцы. Известен и опыт учёных Питтсбургского университета с макаками, посылавшими мысленные команды механической руке, которая очищала для них бананы.

В ходе программы, начавшейся под эгидой DAPRA в 2009 году, были разработаны два сложных прототипа, каждый из которых представлял собой протез, крепящийся к предплечью. Принципиальная новизна предстоящего эксперимента Университета Джона Хопкинса заключается в том, что впервые в мозг человека будет имплантирован нейронный интерфейс для управления искусственной конечностью.

На реализацию этой стадии проекта DARPA выделила Университету Джона Хопкинса 34,5 миллиона долларов. Пяти добровольцам предстоит испытать так называемый "Модульный протез конечности" (Modular Prosthetic Limb, MPL), весящий около 9 фунтов или 4 кг, то есть примерно столько же, сколько "настоящая" человеческая рука. Протез обладает 22 степенями свободы, включая независимые движения каждого пальца, и обратной связью, в частности, отдельными функциями осязания.

В ходе исследований учёным из Калифорнийского технологического института и Питтсбургского университета удалось разработать способ регистрации неврологических импульсов мозга при помощи микросхем с электродами, напоминающими небольшие волоски. Имплантируемые в мозг микрочипы призваны фиксировать сигналы, преобразовывать их в команды и передавать в устройство. Именно такие чипы в 2009 году были вживлены двум макакам в Питтсбургском университете. Через волоски-проводники сигналы мозга выводились из черепа, а затем компьютер преобразовывал эти сигналы в команды, выполняемые механической рукой.

Первым испытателем новой системы станет доброволец с серьёзным повреждением спинного мозга. В дальнейшем планируется, что ещё четыре пациента будут испытывать устройство в течение двух лет - пока таков максимальный срок службы микросхем. Как рассказывает менеджер программы Майкл Маклофлин, изначально проект ориентировался на пациентов с квадриплегией (то есть с повреждением шейного отдела позвоночника, приводящего к отказу всех четырёх конечностей), поскольку в случае успеха они выигрывают больше всех. В отличие от большинства людей с ампутированными конечностями, у которых есть другие возможности вести более-менее нормальную жизнь, такие пациенты в большинстве случаев полностью зависят от других и у них нет альтернативы. Благодаря исследованиям Университета Джона Хопкинса жизнь таких людей может полностью измениться.

В проекте будут принимать участие также учёные из Калифорнийского технологического института, Университета Юты и Университета Чикаго. По словам Майкла Маклофлина, для программы важен опыт специалистов из Калифорнийского технологического института и Университета Питтсбура в области интерфейсов мозг-компьютер, наработки учёных из Университета Чикаго по чувственному восприятию и разработки Университета Юты по созданию имплантируемых в тело человека устройств, способных выступать в роли интерфейсов для человеческого мозга. За постройку собственно протеза руки отвечает коллектив компании HDT Engineered Technologies.

Специалисты планируют проводить эксперименты и клинические испытания MPL с целью подтвердить возможность безопасного использования имплантируемых нейроинтерфейсов, способных эффективно управлять протезом. К первоочередным задачам проекта относится расширение возможностей осязания MPL, в частности речь идёт об ощущениях давления и прикосновения - этим будет заниматься, прежде всего, команда из Университета Чикаго. Результаты исследований помогут оптимизировать алгоритмы управления, обратной связи и осязания, которые смогут обеспечить полное и естественное владение искусственной конечностью. По словам Майкла Маклофлина, цель разработчиков заключается в том, чтобы обладатель такого протеза мог без проблем выполнять повседневные действия, например, брать со стола чашку кофе и держать её в руке.

Специалисты из компании Blackrock Microsystems совместно с учёными из Университета Юты намерены работать над перспективной технологией создания электродов для записи и стимуляции сигналов мозга. Фирма HDT Engineered Technologies будет совершенствовать конструкцию протеза.

Главная цель всего этого масштабного и дорогостоящего проекта - сделать протез, как можно меньше отличающийся от настоящей руки не только внешне, но и функционально. Однако, несмотря на громкие заявления, пока конечный продукт далёк от совершенства, и перспективы проекта MPL остаются туманными. Около трёх месяцев назад DARPA открыла новую программу по устранению недостатков существующих нейронно-протезных моделей - прежде всего, по продлению срока службы микросхем-имплантатов, без чего пациенты обречены регулярно подвергать себя серьёзному риску периодических операций на мозге.

Впрочем, Маклофлин полон оптимизма: "Результаты этой программы помогут пациентам с ампутированными верхними конечностями и повреждениями спинного мозга, а также тем, кто утратил возможности использовать собственные конечности, вести настолько нормальный образ жизни, насколько это возможно - несмотря на серьёзные увечья или дегенеративные неврологические заболевания".