Преобразующий потенциал нейрокомпьютерных имплантов
Радикальные достижения в области нейротехнологий помогают инвалидам ходить и могут обеспечить связь между человеческим и искусственным интеллектом.
Семь лет назад Мишель Роккати свернул с дороги, чтобы не сбить животное, когда катался на мотоцикле возле Турина, и врезался в придорожную скамью. Раккати говорит, что эта авария «взорвалась костями в его спине», повредив спинной мозг и прекратив взаимодействие между его мозгом и ногами.
«Мои врачи сказали мне тогда, что я никогда не смогу снова стоять, не говоря уже о том, чтобы ходить», - говорит Роккати. Тогда он активировал электроды, которые нейрохирурги в Лозанне вживили вдоль его спинного мозга с помощью новаторской операции, проведенной в 2020 году.
Его тело слегка содрогается секунду или две, затем он встает со своего стула и уверенно проходит через комнату, хотя и держась за ходунок для баланса. «Каждый день моя способность ходить улучшается, поскольку мои мышцы становятся сильнее, а мои нервы постепенно восстанавливаются», - говорит он.
Рокатти является одним из растущей группы людей, которые получают выгоду от радикально новых форм нейротехнологий, разрабатываемых в университетских лабораториях Европы и Северной Америки, которые используют компьютеризированные импланты для взаимодействия с человеческим мозгом и центральной нервной системой.
Нейрокомпьютерный интерфейс (BCI, brain-computer interfaces) может обойти препятствия, которые мешают людям, которые стали инвалидами в результате аварии или болезни, приводить в движение свои конечности. Нейрокомпьютерные интерфейсы также помогают тем, кто не может говорить или пользоваться клавиатурой для общения.
По словам Майкла Магера, исполнительного директора Precision Neuroscience, медицинской BCI-компании из США, в течение нескольких лет BCI могут превратиться в рынок стоимостью несколько миллиардов долларов в год, обеспечивая лечение пациентов с тяжелыми моторными нарушениями в результате травм или заболеваний.
Долгосрочные последствия гораздо значительнее.
«Мы создаем связь между человеческим интеллектом и искусственным интеллектом», - говорит Магер, - «Вполне возможно, что единственным применением этой фундаментальной связи будет избавление от паралича, но я думаю, что это очень маловероятно».
Элон Маск основал Neuralink, самую известную BCI-компанию, в 2016 году с целью разработки технологий общего назначения для соединения человеческого мозга с машинами.
Маск давно говорил об использовании таких связей, чтобы по существу объединить человеческий интеллект с ИИ.
Например, он утверждает, что значительное увеличение скорости, с которой мозг может поглощать и предоставлять информацию, может преодолеть то, что он считает одним из основных ограничений способности людей не отставать от достижений в области машинного интеллекта.
Многие в этой области предсказывают, что задолго до того, как появятся киборги будущего, о которых мечтает Маск, технология будет использоваться более практическими способами для преодоления личных физических ограничений и повышения индивидуальной производительности, например, за счет обострения визуальных и слуховых способностей людей или повышения памяти.
«Мы пока немного продвинулись на этом пути, но я думаю, не трудно представить, что со временем эта технология будет принята людьми», - говорит Магер, который соучредил Precision в 2021 году вместе с Бенджамином Рапопортом, основателем Neuralink.
Технические препятствия остаются высокими. Сбор, передача и интерпретация сигналов из мозга по-прежнему остаются наукой в стадии младенчества, в то время как инвазивная хирургия головного мозга ограничена правилами для всех, кроме тяжелых пациентов с ограниченными возможностями.
В то же время технология поднимает глубокие этические вопросы.
«Медицинская сторона уже хорошо контролируется регуляторами и существующими правилами», - говорит Рафаэль Юсте, директор Нейротехнологического центра Колумбийского университета в Нью -Йорке.
«Но технология будет распространяться на немедицинскую сторону», - добавляет он, имея в виду новые важные вопросы о том, как далеко следует людям позволять улучшать их умственные способности, например, их воспоминания.
Тем не менее, в лабораторных условиях использование мозговых сигналов для активации компьютеров и других машин (что до недавнего времени звучало как научная фантастика) становится почти обычным делом, направляя технологию на путь с долгосрочными последствиями.
«Это поворотный момент для человечества», - говорит Юсте, - «Впервые у нас есть технологии, которые могут изменить суть того, кем мы являемся, попав в мозг - орган, который генерирует все наши умственные и когнитивные способности».
В течение десятилетий нейрохирурги по всему миру имплантировали электроды в мозг человека для лечения болезни Паркинсона и других нарушений движения, что позволяет успокоить нерегулярную электрическую активность, ответственную за некоторые симптомы. Более 160,000 пациентов получили «глубокую стимуляцию мозга» такого рода.
Но новая волна нейрокомпьютерных имплантов гораздо более сложная и позволяет осуществлять двустороннюю связь между мозгом и устройством, говорит Джоселин БлоК, нейрохирург из Университетской больницы Лозанны.
Она работала с Роккати и другим парализованным пациентом Герт-Яном Оскамом, у которого есть два импланта в мозге и позвоночнике, которые взаимодействуют друг с другом беспроводным способом через «цифровой мост».
Потенциальный спрос на эти технологии огромный.
Помимо того, что они дают сильно парализованным людям способность общаться и двигаться, их медицинское использование может варьироваться от борьбы с потерей зрения и слуха до улучшения лечения хронических болей и психических расстройств, предоставляя врачам точную и подробную картину того, что происходит внутри мозга.
Тем не менее, немногие медицинские нейрокомпьютерные импланты были имплантированы в людей, поскольку новаторские академические и корпоративные лаборатории все еще медленно доказывают свою безопасность и эффективность.
«Мы движемся осторожно, пациент за пациентом», - говорит Анри Лорак, который проводит клинические испытания с Блок в Лозанне.
Хотя внешние нейроимпланты, помещенные на кожу или кожу головы, могут в некоторой степени обнаруживать и модулировать нейронную активность, «единственный способ четко ее регистрировать в течение продолжительных периодов - это устройство, помещенное хирургическим путем под череп», - говорит Ли Хокберг, директор Центра нейротехнологий в Массачусетской больнице.
По оценкам Хокберга, только 50 пациентов по всему миру получили долгосрочный нейрокомпьютерный имплант, вживленный в головной мозг, с тех пор, как начались клинические исследования 20 лет назад.
Чтобы ускорить клиническую разработку, он и его коллеги в США создали в этом году соощество Implantable BCI Collaborative Community, совместно с американским регулятором FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов), присоединившимся в качестве ключевого участника.
«Поскольку мы получаем огромные знания от каждого участника в этих пилотных клинических испытаниях, я не думаю, что нам понадобится большое количество участников. Тем самым мы демонстрируем безопасность и эффективность, прежде чем подавать заявку на одобрение регулирующих органов», - говорит Хокберг, - «Может быть, нужны десятки пациентов, но, конечно, не тысячи, как часто бывает при испытаниях новых лекарств».
Европа, в частности, Швейцария, занимает значительную часть отрасли нейроимплантов. Две компании, Onward Medical и Neurosoft Bioelectronics, появились из École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), ведущего академического центра континента по исследованиям нейротехнологий.
Третья компания, InBrain Neuroelectronics из Барселоны, разрабатывает импланты из графена (листы углерода толщиной всего в один атом), который был провозглашен чудесным материалом после его открытия в 2004 году.
Но эксперты по обе стороны Атлантики согласны с тем, что американские BCI-компании имеют преимущество перед своими европейскими коллегами.
По словам Дейва Марвера, американского лидера медицинских технологий, который присоединился к Onward в Лозанне в качестве исполнительного директора, в США проще финансировать и создавать постоянную компанию: «В США в вашем распоряжении есть большой пул управленческих талантов, с большим опытом коммерциализации многих вещей в мировом масштабе, там доступно больше финансирования, и режимы регулирования отличаются».
По словам Марвера, FDA лучше подготовлено с утверждению клинических испытаний нейроимплантов, чем его европейские коллеги.
«Когда я пришел в Onward в 2020, у нас не было никаких клинических объектов или планов по коммерциализации в Европе из-за стоимости и сложности», - продолжает Марвер. Он быстро изменил эту политику: «Я сказал: «У нас здесь парализованные люди, у нас здесь штаб-квартира, и коммерциализироваться мы тоже собираемся здесь».
Среди полдюжины американских компаний, испытывающих нейрокомпьютерные импланты, «Элон Маск, безусловно, является нашим крупнейшим конкурентом», - говорит Грегуар Куртин, который возглавляет исследования нейротехнологий в EPFL.
Но он настаивает на том, что компания Onward, которая собрала чуть более €170 млн. инвестиций с момента своего основания в 2014 году, может соответствовать результатам компании Neuralink Маска, которая привлекла $687 млн., согласно PitchBook.
Neuralink является наиболее заметной нейротехнологической компанией в средствах массовой информации и наименее прозрачной. Она предоставляет публичную информацию через случайные твиты и сообщения в блоге.
После многих испытаний на животных, первый пациент Neuralink, 30-летний парализованный Ноланд Арбо, получил свой имплант Link в неврологическом институте Барроу в Аризоне в январе этого года.
В видео и блогах, опубликованных Neuralink, Арбо в восторге от того, как Link позволяет ему управлять курсором компьютера. «Это дало мне возможность снова делать что-то самостоятельно, без необходимости обращаться к моей семье в любое время дня и ночи», - сказал он.
Через несколько недель после операции многие из 64 гибких записывающих проводков, соединенных с мозгом Арбау, были отсоединены. Инженеры Neuralink с помощью программирования устройства сделали его более чувствительным к нейронной деятельности.
В настоящее время компания выбирает второго добровольца, чтобы с его помощью получить улучшенную версию Link с электродами, которая более надежно соединяются с мозгом. Возможно, исследования на нем продолжатся в этом месяце.
Конкурирующие нейротехнологические компании значительно различаются по типу электродов, которые они имплантируют в мозг.
Исследователи имеют наибольший опыт работы с так называемым массивом Utah, сборкой из 96 электродов, которая использовалась в течение 20 лет в академическом консорциуме.
Самое последнее исследование BrainGate на живом человеке опубликовано в августе прошлого года. Согласно исследованию, два массива размером с маленькую таблетку аспирина со 128 электродами в каждом, были размещены на коре головного мозга Пэт Беннетт, 68 лет, пациентке с амиотрофическим склерозом, которая потеряла способность говорить.
Алгоритм ИИ декодирует ее нервную деятельность, обучая себя различать закономерности, связанные с ее формулировкой отдельных фонем - строительных блоков разговорного английского языка.
Затем языковая модель преобразует поток фонем в последовательность слов, которые могут отображаться на экране компьютера или произносятся синтезированным голосом со скоростью примерно 60 слов в минуту.
«Представьте себе, как различные повседневные действия, такие как покупки, посещение встреч, заказ еды, вход в банк, разговор по телефону, выражение любви или оценки, даже ведение спора, будет возможно с помощью невербальной передачи своих мыслей в режиме реального времени», - это Беннетт написал в то время.
Другие лаборатории разрабатывают более гибкие и менее инвазивные BCI. Neurosoft Bioelectronics из Женевы тестирует ультратонкие мягкие электроды, размещенные на силиконе, который обволакивает складки поверхности мозга. Эта технология была успешно протестирована на трех пациентах.
Графеновый интерфейс InBrain имеет аналогичные точки соединения. Он сидит «на коре, как кусок целлофана, не проникая в нее», - говорит исполнительный директор Каролина Агилар. Первое испытание этого интерфейса на человеке неизбежно.
Она считает болезнь Паркинсона первой мишенью компании InBrain, которая стремится вытеснить устройства глубокой стимуляции мозга с «низкой плотностью и низким разрешением», которые предлагают гиганты медтеха Boston Scientific и Medtronic.
Некоторые BCI-компании фокусируются на медицинском применении нейрокомпьютерных имплантов, помимо пациентов с ограниченными возможностями.
По оценкам Николаса Вачикураса, исполнительного директора Neurosoft, сегодня 60 млн. человек по всему миру испытывают тяжелый шум в ушах, что приводит к «тяжелой депрессии и даже попыткам самоубийства без эффективного лечения».
Исследование компании показывает, что причиной этого является ненормальная активность в слуховой коре, создающая иллюзию тревожного шума, что можно исправить с помощью нейромодуляции.
Среди американских компаний Synchron имеет хороший шанс стать первой, кто выведет BCI-имплант на рынок.
Подобно стенту, это устройство вставляется в кровеносный сосуд и находится над моторной корой - частью мозга, которая контролирует движение.
До сих пор оно было протестировано на 10 пациентах, и в ближайшее время ожидается публикация окончательных результатов, за которым последует более крупное клиническое исследование, которое, как компания надеется, приведет к одобрению FDA.
Хотя устройство не так чувствительно к нейронной деятельности, как у некоторых конкурентов, по словам исполнительного директора Synchron Тома Оксли, компания может быстрее достичь одобрения регулятора с помощью технологии, которая не требует операции на мозге.
«Как эта технология может улучшить способность людей жить независимо? Это будет маркером успеха», - говорит он.
Ни один из имплантов еще не является достаточно привлекательным для рынка из-за высокой стоимости, но руководители говорят, что ценообразованию придется отражать огромные потенциальные преимущества, которые технология предлагает пациентам с тяжелыми неврологическими расстройствами, уход за которыми обходится очень дорого.
«Ключом к созданию жизнеспособной отрасли BCI, а также обеспечению доступа к пациентам является страховое покрытие по ставке, которая будет соразмерна с суммой денег, которые вкладываются в разработки и поставки», - говорит Магер из Precision, - «Это должно быть страховое возмещение с шестизначными цифрами».
Мэтт Энгл, исполнительный директор Paradromics, компании из Техаса, разрабатывающей BCI с большим количеством электродов, чем в стандартном импланте, прогнозирует, что первые устройства будут стоить «более 100,000 долларов», но «мы хотели бы добиться, чтобы нейрокомпьютерные интерфейсы стоили на уровне глубоких стимуляторов мозга - допустим, 30,000 долларов».
Заглядывая вперед, Angle прогнозирует, что только медицинское применение BCI создаст рынок стоимостью сотни миллиардов долларов, хотя многие другие эксперты в этой области считают, что говорить об этом слишком рано.
«Существует потенциал для развития дюжины компаний, каждая из которых будет стоить более $1 млрд.», - говорит он, - и это до того, как BCI начнут применяются для повышения производительности человека в различных областях - от зрения до памяти.
Хотя такие прорывы будут зависеть от дальнейших улучшений в датчиках и микроэлектронике, необходимой для захвата и передачи сигналов мозга, они также будут во многом опираться на более широкие достижения в области вычислений и ИИ.
К ним относятся использование облачных вычислений и применение ИИ, чтобы помочь интерпретировать сигналы мозга.
Сейчас данные клинических испытаний обрабатываются локально, говорит Куртин из EPFL: «Но мы намерены в конечном итоге хранить всю эту информацию о мозге в облаке, чтобы мы могли обучить большую языковую модель и создать мозговой GPT. Тогда мы сможем обучаться на часах мозговой активности многих людей».
Такие проекты приводят к усилению дискуссий об этике, что вызвано угрозой неправильного использования нейронных данных, собранных с BCI.
ЮНЕСКО созвала группу из 24 экспертов для разработки рекомендаций по этике нейротехнологий, что привело к появлению документа, который будет утверждаться странами-членами в следующем году.
Габриэла Рамос, которая возглавляет нейротехнологическую инициативу ЮНЕСКО, говорит: «Мы стремимся обеспечить, чтобы эти научные и технологические разработки соответствовали нашим правам человека». Это означает больше, чем защита конфиденциальности мыслей людей, раскрытых BCI, добавляет она.
Например, будущие импланты могут изменить личность человека к лучшему или к худшему - более широко, чем существующие методы лечения мозга.
Юсте из Колумбийского университета указывает, что несколько юрисдикций, таких как Чили и штат Колорадо в США, уже приняли закон о защите нейронных данных людей от эксплуатации.
Но основные проблемы связаны с немедицинским использованием технологии, таким как повышение умственной производительности. Одним из способов защиты людей было бы «регулировать новые потребительские BCI, как если бы они были медицинскими устройствами», говорит он.
Для новаторских пациентов, таких как Роккати, такие проблемы являются академическими по сравнению с преимуществами, которые может принести нейротехнология.
«Мой имплант уже изменил мою жизнь, - говорит он, - и я с нетерпением жду возможности воспользоваться будущими достижениями в области нейротехнологий. Так же как тысячи других людей, которые сейчас не могут общаться или ходить, но смогут в будущем».
