Технологии «интерфейс мозг–компьютер» и нейробиоуправление: современное состояние, проблемы и возможности клинического применения (обзор)

Во второй половине прошлого столетия нейро­фи­зио­логами сделано выдающееся открытие. Было установлено, что функции организма, считавшиеся ранее непроизвольными и не поддающимися саморегуляции, могут при определенных условиях управляться человеком. Главным условием является то, чтобы человек посредством различных технических средств получал сигналы обратной связи о текущем состоянии своего организма. В результате этого открытия независимо сформировались две линии исследований, основанных на использовании сигналов обратной связи от биопотенциалов мозга человека для регуляции его функций.

Первая линия сформировалась на основе методологии биоэлектрического управления и связана с созданием компьютерных информационно-управляющих систем, которые опосредуют связь между мозгом и различными технологическими устройствами. Эти технологии получили название «интерфейс мозг–компьютер» (ИМК). Они позволяют человеку управлять компьютером и другими техническими устройствами при помощи сигналов мозга, регистрируемых на поверхности головы в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ), т.е. минуя передачу информации по нервам и мышцам [1].

Вторая линия базируется на теории И.П. Павлова об условных рефлексах и ее развитии в работах по оперантному обусловливанию ЭЭГ человека [2]. Благодаря этим исследованиям, продемонстрировавшим возможность произвольной перестройки и переобучения паттернов мозговых волн с использованием принципов обусловливания, сформировалась технология биоуправления с обратной связью по ЭЭГ, или технология нейробиоуправления — НБУ [3].

Обе технологии имеют как общие черты, так и отличия. Наличие общих свойств позволило ряду авторов либо рассматривать их совместно [4], либо считать технологию НБУ одним из самых ранних применений технологии ИМК [5] или ее частным случаем, цель которого — не управлять внешним устройством, а использовать внешнюю обратную связь для модулирования конкретных аспектов физиологического сигнала собственного головного мозга [6]. Основное различие двух подходов состоит в соотношении автоматической и контролируемой обработки сигналов обратной связи от биопотенциалов мозга. Если в технологии ИМК эти сигналы не требуют осознавания, автоматически управляя исполнительными устройствами или модулируя параметры внешних воздействий, то в технологии НБУ биопотенциалы мозга преобразуются в информационные сигналы обратной связи для обучения человека осознанной произвольной регуляции собственных функций.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к исследованиям в обеих направлениях. Это проявилось прежде всего в большом количестве недавних аналитических обзоров по различным аспектам нейроинтерфейсов [7–21]. Кроме того, за последние 5 лет произошло 2–3-кратное увеличение количества публикаций по ИМК и НБУ в базе данных научной медицинской периодики Pubmed. Такой экспоненциальный рост исследований разные авторы связывают с неэффективностью традиционных методов фармакологического лечения [22–26], c более полным пониманием механизмов пластичности мозга и растущей неудовлетворенностью текущими реабилитационными методами [27–29], а также с бурным ростом вычислительных мощностей, робототехники, методов записи сигналов мозга и математических алгоритмов для их декодирования [30].

Обилие недавних публикаций по данной проблеме и большое разнообразие используемых методических приемов затрудняют общую оценку состояния этой области знаний и выделение подходов, в наибольшей степени пригодных для клинической медицины. В представленном обзоре обобщены данные литературы последних пяти лет о сущности, особенностях и современном состоянии технологий ИМК и НБУ. Основное внимание уделено рассмотрению возможностей и перспектив использования этих технологий в медицине. Представлены результаты собственных исследований авторов в этом направлении.

Интерфейс мозг–компьютер

Интерфейс мозг–компьютер представляет собой компьютерную информационно-управляющую систему, которая регистрирует мозговые сигналы, анализирует их и переводит в команды, поступающие на выходные технические устройства для осуществления желаемого действия. Согласно формальному определению, ИМК — это система, измеряющая активность мозга и преобразующая ее в искусственный выходной сигнал, который заменяет, восстанавливает, усиливает, дополняет, информирует или улучшает естественный выходной сигнал и таким образом изменяет текущие взаимодействия мозга с внешней или внутренней средой [31].

Началом развития технологии ИМК считается 1973 г., когда был предложен термин «brain-computer interface» и изложен план экспериментальных исследований по взаимодействию человеческого мозга с компьютером [32]. Однако есть все основания утверждать, что основой данного направления послужила методология биоэлектрического управления, которая сформировалась в 50–60-е годы прошлого столетия и активно развивается в наши дни. Она предполагает использование биоэлектрических потенциалов, генерируемых тканями или органами человека, для автоматического управления различными внешними устройствами [33]. Ярким примером данного направления является пионерская работа Н.П. Бехтеревой, показавшая, что ритмическая световая стимуляция, автоматически управляемая электрическими сигналами мозга пациента, приводит к росту представленности альфа-ритма ЭЭГ и является более эффективным видом функциональной нагрузки, чем обычные виды фотостимуляции [34]. Впоследствии разные варианты данного приема были использованы в терапевтических целях в ряде зарубежных исследований, где он получил названия «EEG-driven photic stimulation» или «alpha power dependent light stimulation» [35–37].

Главная цель технологий ИМК заключается в замене или восстановлении полезных функций для людей, неспособных их выполнять из-за нервно-мышечных расстройств, таких как амиотрофический склероз, церебральный паралич, инсульт или повреждение спинного мозга [38–41].

Интерфейс мозг–компьютер является одной из самых многообещающих технологий в области лечения неврологических заболеваний и травм. Эта технология позволяет установить связь между неповрежденными участками мозга и вспомогательными устройствами, которые способны компенсировать моторные и сенсорные функции. Например, пациенты, парализованные из-за перелома позвоночника, смогут восстановить подвижность, используя ИМК, который соединяет нейронные структуры моторной коры с роботизированными руками, экзоскелетами или нейроморфными электрогенераторами [42]. Более того, сенсорные ИМК могут служить средством восстановления чувствительности парализованных участков тела путем передачи соматосенсорных ощущений прикосновения, температуры, боли и вибрации у этих пациентов [43]. Определенные успехи в разработке таких ИМК уже достигнуты [44, 45], в том числе и в России [46–50].

Наряду с нейротренажерами, нацеленными главным образом на восстановление двигательной функции, достойное место в реабилитационной медицине занимают ИМК, обладающие вспомогательной функцией. Они позволяют пациентам волевыми усилиями осуществлять набор текстов на экране монитора, нажимать виртуальные кнопки включения/выключения доступных им для самообслуживания устройств, приводов больничной кровати и др. Совокупность подобных ассистирующих пациенту систем ИМК можно назвать нейрокоммуникаторами, так как они по своей сути помогают человеку без мышечных движений выбрать на экране компьютера те или иные символы для набора текста или команд [51, 52].

Нейробиоуправление

Нейробиоуправление представляет собой компью­терные информационно-управляющие системы, дающие возможность модификации биопотенциалов головного мозга при активном участии самого больного. Для этого текущая амплитуда того или иного ЭЭГ-ритма с помощью различных компьютерных средств отражается в параметрах световых и/или звуковых сигналов обратной связи, предъявляемых пациенту с целью его обучения сознательному контролю выраженности собственных ритмических компонентов ЭЭГ для достижения требуемых лечебных эффектов. Если человек может в режиме реального времени видеть или слышать адекватное отражение собственных биопотенциалов, он получает возможность постепенно обучиться изменять их в нужном направлении. Сначала достигнутые эффекты кратковременны, но в процессе тренировки у большинства людей этот навык закрепляется. Таким образом, НБУ предоставляет дополнительные возможности для нелекарственной реабилитации самых разных мозговых патологий [53].

В общем случае система НБУ состоит из пяти элементов или шагов обработки: получение сигнала мозга, его предварительная обработка, выделение ключевых признаков, генерирование сигнала обратной связи и адаптивное обучение. После записи ЭЭГ данные подвергаются предварительной обработке (например, обнаружению, удалению или исправлению артефактов), генерации и выделению признаков, вычислению и представлению сигнала обратной связи. Последний шаг замыкает контур обратной связи, где участник пытается научиться использовать сигнал обратной связи для изменения активности мозга в соответствии с инструкциями. Все необходимые шаги осуществляются в режиме реального времени. Выделенные признаки, как правило, количественно отражают уровень деятельности определенного участка мозга или сети, а сигнал обратной связи передает информацию о соответствующих изменениях в состоянии мозга. Участники должны найти и адаптировать стратегии, чтобы целенаправленно изменять состояние мозга в соответствии с предварительными инструкциями [5].

Исходным этапом в становлении технологии НБУ явилась серия исследований, выполненная J. Kamiya в 60-е годы прошлого столетия [54] и продемонстрировавшая возможность человека произвольным образом изменять выраженность спектральных компонентов собственной ЭЭГ. Впоследствии это обстоятельство послужило основой для разработки целого ряда клинических приложений НБУ с целью лечения многих заболеваний через прямые перестройки электрических процессов в головном мозге.

Механизмы лечебного действия НБУ до конца не выяснены, хотя их пониманию посвящены работы многих исследователей [55–58]. Согласно одним представлениям, потенциальными механизмами НБУ являются перестройки нейронных сетей, включая увеличение их глобальной взаимосвязанности и нейропластичности [59]. Другие авторы считают, что НБУ осуществляет настройку колебаний электрической активности мозга на такой гомеостатический уровень, который обеспечивает оптимальный баланс между гибкостью и стабильностью нейронной сети [60].

К настоящему времени положительный клинический опыт применения НБУ накоплен в отношении широкого спектра заболеваний. Среди них синдром дефицита внимания с гиперактивностью [61–65], трудности обучения [66], инсульт [67], черепно-мозговая травма [68], неконтролируемая эпилепсия [69], злоупотребление психоактивными веществами [70–72], депрессия [73], аутизм [74], мигрень [75], расстройства пищевого поведения [76], болевые синдромы [77, 78] и другие патологии. Важно подчеркнуть, что независимо от происхождения симптомов тренировки НБУ предлагают дополнительные возможности для реабилитации через непосредственное переобучение электрических процессов в головном мозге.

В литературе встречаются также данные о лечебных эффектах применения НБУ при психиатрических заболеваниях, таких как расстройства пищевого поведения, шизофрения и психозы [79], для лечения функции исполнительного контроля при синдроме Туретта [80], а также для восстановления и совершенствования функций в спорте высших достижений [81].

Следует отметить, что по вопросу эффективности НБУ при лечении различных патологических состояний и заболеваний существуют противоречивые мнения. Одни авторы считают НБУ безусловно эффективным и специфичным средством лечения эпилепсии, синдрома дефицита внимания с гиперактивностью и тревожных расстройств, вероятно эффективным — при лечении мозговых травм, наркомании и бессонницы и недостаточно эффективным — при депрессивных расстройствах, аутизме и посттравматическом стрессе [23]. Другие авторы при анализе литературных данных приходят к выводу об эффективности НБУ при расстройствах аутистического спектра, лечении наркозависимости и последствий мозговых травм [59]. Еще одна группа авторов считает НБУ потенциальным клиническим инструментом при тяжелых психоневрологических расстройствах — шизофрении, депрессии, болезни Паркинсона и других [82].

Проблемы и перспективы технологий «интерфейс мозг–компьютер» и нейробиоуправления

Несмотря на международное признание важности темы, наличие специализированных научных журналов, в исследованиях ИМК и НБУ существует ряд проблем, требующих своего решения.

Для оптимизации технологии ИМК должны быть решены две основные задачи. Во-первых, это подбор наиболее динамичных биометрических сигналов с последующим выделением из них надежных маркеров мысленных усилий человека. Во-вторых, это разработка в значительной степени индивидуализированных регламентов самой процедуры формирования командного мысленного усилия, которое должно приводить к четким и стабильным изменениям в регистрируемых электрографических или метаболических показателях [52].

Необходим прогресс в разработке инвазивных и неинвазивных ИМК, а также в создании приемов точной целенаправленной стимуляции мозга или сенсорных каналов с высоким пространственным и временным разрешением для замещения утраченных сенсорных входов (например, протез ощущения прикосновения у ампутантов), немедленной коррекции дисфункциональных сетей (например, обнаружение и смягчение последствий нарушения нейронной активности) и долгосрочного восстановления здоровых функциональных сетей посредством использования нервных механизмов пластичности мозга [45]. В результате будет развиваться новое направление в медицине — нейропротезирование, или междисциплинарная область исследований, включающая в себя нейронауку, компьютерную науку, физиологию и биомедицинскую инженерию для замены или восстановления двигательных, сенсорных и когнитивных функций, которые могли быть повреждены в результате травмы или болезни [83].

Много открытых вопросов и проблем существует также в отношении НБУ. Так, одни авторы отмечают недостаточное число строго контролируемых исследований и минимальные размеры выборок, используемых в работах по изучению разных вариантов НБУ, несмотря на выводы о положительных результатах [23]. Другие авторы при анализе публикаций по НБУ указывают на такие проблемы, как отсутствие правильного выбора схемы эксперимента, неадекватное использование контрольных условий и групп испытуемых, недостаточность представлений о механизмах обучения, участвующих в саморегуляции мозга [82].

Считается, что клинические перспективы НБУ напрямую зависят от решения перечисленных выше и других методологических проблем, а также от более широкого использования современных технологий визуализации живого человеческого мозга (например, функциональной магнитно-резонансной томографии в режиме реального времени или спектроскопии в ближней инфракрасной области). Использование таких технологий с применением все более строгих протоколов исследований позволит пролить свет на глубинные механизмы НБУ, которые будут способствовать развитию более эффективных клинических применений нейроинтерфейсов [84].

В современных исследованиях по ИМК и НБУ можно выделить две прогрессивные тенденции. Одна из них связана с использованием индивидуально выявляемых специфических компонентов ЭЭГ вместо излишне широкополосных, заранее заданных традиционных ЭЭГ-ритмов [85]. Как показано в ряде работ [63, 86], такой подход приводит к значительному увеличению эффективности лечебных процедур. Вторая тенденция заключается в сочетании технологий нейроинтерфейсов с другими технологиями — транскраниальной магнитной стимуляцией [87] или аудиовизуальной стимуляцией [88], что также увеличивает эффективность воздействий.

Музыкальный нейроинтерфейс

Одной из центральных в технологии НБУ является проблема оптимальной организации сигналов обратной связи как важнейшего фактора, определяющего успешность биоуправления [89, 90]. В то же время наиболее перспективным подходом к организации процедур НБУ считаются комбинированные воздействия, ориентированные на взаимодействие между мозгом, телом и поведением человека [91]. Именно таким подходом является разработанная авторами технология музыкального НБУ, сочетающая предельную индивидуальность биоуправления с достоинством неосознаваемого восприятия воздействий, характерного для музыкальной терапии [92, 93].

Основу данного подхода составляет использование музыкальных или музыкоподобных воздействий, которые организуются в строгом соответствии с текущими значениями биопотенциалов мозга пациента. Отличительной чертой метода является музыкальная обратная связь от характерных и значимых для индивида узкочастотных ЭЭГ-осцилляторов, выявляемых в режиме реального времени на основе специально разработанного динамического подхода [94–96].

Как известно, музыка сама по себе способна вызывать сильные эмоции, изменять настроение и помогать в лечении психиатрических и неврологических заболеваний [97]. Воздействуя на мозг, основные функции организма и поведение человека, музыка может подавлять стресс [98, 99], корректировать состояния сознания [100, 101] и вообще служить универсальным терапевтическим средством [102]. Особой эффективностью обладает музыка, предъявляемая в соответствии с индивидуальными характеристиками мозга пациента [103–105]. В нашем случае музыкальные воздействия организуются в строгом соответствии с функционально значимыми для индивида узкочастотными ЭЭГ-осцилляторами, благодаря чему лечебные процедуры приобретают особые целебные свойства [106].

Главным преимуществом технологии музыкального НБУ является возможность его применения для коррекции неблагоприятных функциональных состояний в условиях, не требующих осознанных усилий испытуемых. Это особенно важно при проведении лечебных сеансов с детьми и с пациентами, для которых характерны измененные психические состояния или противопоказана медикаментозная терапия. Поэтому технология музыкального НБУ была успешно опробована для коррекции психоэмоциональных расстройств при беременности и при подготовке к родам [107, 108], а также для устранения стресс-вызванных расстройств [109]. В настоящее время проводятся исследования, направленные на устранение с помощью данной технологии признаков синдрома дефицита внимания с гиперактивностью у детей [110].

Заключение

Предпринятый анализ литературы показывает, что технологии нейроинтерфейсов уже в настоящее время начинают использоваться в медицине для замены или восстановления полезных функций у людей, неспособных их выполнять из-за нервно-мышечных расстройств или травм, а также для нелекарственного лечения широкого спектра заболеваний и расстройств.

Технология «интерфейс мозг–компьютер» позволяет помочь компенсировать моторные и сенсорные функции, способствует восстановлению чувствительности поврежденных участков тела, дает возможность проводить амбулаторный мониторинг для обнаружения и предупреждения потенциально опасных состояний (например, эпилептических припадков), обеспечивает восстановление части утраченных функций у парализованных пациентов. Благодаря технологии «интерфейс мозг–компьютер» парализованные пациенты могут волевыми усилиями осуществлять набор текстов на экране монитора и нажимать виртуальные кнопки включения/выключения доступных им для самообслуживания устройств. В перспективе в результате многопрофильного сотрудничества неврологов, психологов, врачей, инженеров и математиков указанные возможности технологии «интерфейс мозг–компьютер» будут дополнены программами ускоренного обучения и целенаправленного восстановления памяти, что позволит существенно расширить сферы ее клинического применения как для диагностики заболеваний и скрининга групп риска, так и для эффективной коррекции самых различных патологий.

Нейробиоуправление исходно было ориентировано на клинические приложения и к настоящему времени успешно опробовано при лечении или коррекции большого числа заболеваний и расстройств, начиная от синдрома дефицита внимания с гиперактивностью и аутизма до наркозависимости и иммунодефицита. Несмотря на наличие ряда нерешенных проблем, к настоящему времени технология нейробиоуправления представляется как минимум очень полезным дополнением к существующим средствам лечения. В перспективе благодаря разработке более совершенных протоколов исследований, использованию современных технологий визуализации живого человеческого мозга и оптимальной организации сигналов обратной связи (например, в виде музыки) технологии нейроинтерфейсов могут занять ключевые позиции в клинической практике.

Финансирование исследования. Работа поддержана Российским гуманитарным научным фондом, гранты РГНФ №15-06-10894 и №16-06-00133.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.