Нейрокоммуникаторы в медицинской практике

Развитые страны раньше других, столкнувшись с проблемой борьбы с неврологическими и психическими расстройствами, еще в 1990-е годы стали запускать масштабные программы поддержки развития нейронаук. Нейронауки и нейротехнологии в России находятся на начальной стадии развития. Но в последние время наблюдается положительная динамика их эволюции. Наиболее перспективным направлением нейротехнологий является развитие нейрокоммуникаторов, главной областью применения которых является медицина. Несомненно, резкой скачок в технологиях требует более глубоких знаний о принципах их работы, особенно для будущих врачей и специалистов в области исследования человеческого организма.

Начало изучению электрических процессов мозга было положено Дебуа Реймоном в 1849 году, который показал, что мозг, обладает электрогенными свойствами [1].

Развитие ЭЭГ послужило толчком для начала разработки принципов действия нейрокоммуникаторов. Первый опыт реализации технологии прямой коммуникации мозга с исполнительным устройством провели американские учёные в 1999г. В мозг крысы было вживлено порядка сорока-пятидесяти тонких электродов, которые измеряли электрическую активность нервных клеток. Задачей исследователей было выявить: есть ли однозначная последовательность в возбуждении этих клеток и идет ли осознание впереди действия. Ученые зафиксировали активность определенных центров мозга крысы при появлении у животного намерения и механизировали процесс, исключив из цепочки реакций афферентное звено-мышцу. Итог: через совсем небольшое время, крыса, условно говоря, складывает лапки, и одним только намерением вызывает себе поилку [5].

Технологии «интерфейс мозг-компьютер», сокращенно ИМК, и нейробиоуправление являются уникальными методами модуляции активности мозга на основе оперантного обучения. С момента возникновения в 60-х гг. XX в. эти технологии стали лечебным инструментом для множества психических и неврологических расстройств [6].

ИМК позволяют человеку управлять компьютером и другими техническими устройствами при помощи сигналов мозга, регистрируемых на поверхности головы в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ), минуя передачу информации по нервам и мышцам. Таким образом, в сфере медицины ИМК позволяют замещать, восстанавливать, усиливать и даже расширять функции мозга человека, ставшие дефицитными вследствие нейродегенеративных заболеваний, инсультов или нейротравм, а также способны восстанавливать и улучшать когнитивные способности, изменять физиологическое и эмоциональное состояние [6].

В настоящее время немало усилий в изучение ИМК вложил А.Я. Каплан. Его лаборатория известна своими разработками в области нейроуправления, такими как: неосознанное управления ИМК, надежная "мыслеуправляемая" буквопечать, первые компьютерные игры на основе ИМК. Каплан и его команда довели надежность работы такого коммуникатора до 95% [8].

Применение технологии интерфейс мозг-компьютер в медицине

В последнее время участились случаи возникновения детского церебрального паралича (ДЦП), в основе которого лежит аномальное развитие головного мозга плода или новорожденного с последующим формированием патологического мышечного тонуса (преимущественно спастичности) при сохранении позотонических рефлексов. ДЦП является основной причиной детской инвалидности в мире. Существенное влияние на качество жизни и социализацию детей с ДЦП оказывает выраженность двигательных расстройств, особенно верхней конечности. Современные подходы к восстановлению движений конечностей заключаются в прямом воздействии на паретичные конечности, а также в активации структур головного мозга. Одним из перспективных методов стимулирования пластичности головного мозга является кинестетическое воображение движения с помощью неинвазивного интерфейса «мозг-компьютер» - «экзокисть-2». Он позволяет контролировать и управлять внешним роботизированным устройством при воображении целенаправленного движения во время регистрации биоэлектрической активности мозга.

На базе специализированного отделения для психоневрологических больных ФГБУ «Евпаторийский военный детский клинический санаторий им. Е.П. Глинки» Минобороны России с 03.07.2019 по 31.10.2019 было проведено исследование, в котором участвовали пациенты мужского и женского пола в возрасте от 12 до 18 лет, получающие курс санаторно -курортной реабилитации, с установленным диагнозом ДЦП, имеющие в структуре неврологических нарушений гемипарез, тетрапарез, гиперкинетический синдром либо их комбинацию, с уровнем двигательной активности не выше III по критериям классификации больших моторных функций. Пациенты, вошедшие в исследование, были разделены при случайной выборке на основную группу (n = 30) и группу сравнения (n = 20). Для оценки объема движений верхних конечностей были использованы следующие шкалы:

1) модифицированная шкала Френчай (Modified Franchay Scale, MFS) для оценки двигательных навыков верхней конечности при центральном парезе с использованием 10 заданий;

2) шкала «Возможности кисти-дети» (ABILHANDKids) - тест оценки родителями двигательной функции верхней конечности ребенка в быту (3 степени возможности выполнения навыка: «невозможно», «трудно», «легко»);

3) шкала функционирования верхних конечностей (The Manual Ability Classification System, MACS) для определения возможностей навыков самообслуживания, позволяющая классифицировать манипуляторные возможности рук детей с ДЦП 4-18 лет с учетом возраста;

4) модифицированная шкала спастичности Эшворта (Modified Ashworth Scale, MAS) для оценки уровня спастичности при определении степени сопротивления пассивным движениям по 5-балльной шкале (от 0 до 4);

5) модифицированная шкала Тардье (Modified Tardieu Scale, MTS) для оценки уровня спастичности, основанной на тестировании мышечного сопротивления при быстром и медленном пассивном движении (5 уровней);

6) шкала оценки силы мышц Британского совета медицинских исследований (Medical Research Counsil Weakness Scale sum s core, MRC-SS) для тестирования силы мышц-сгибателей и разгибателей кисти.

Все пациенты основной и контрольной групп в течение 21 дня получали комплексное санаторно-курортное лечение (лечебную физкультуру, массаж паретичных мышц, пелоидотерапию, гидрокинезиотерапию в термальноминеральной воде, электростимуляцию мышц-антагонистов паретичным) в соответствии со стандартами санаторно -курортного лечения. Пациенты основной группы дополнительно проходили курс реабилитации с использованием комплекса «Экзокисть-2. Использованная система нейроинтерфейса основана на анализе паттернов биоэлектрического сигнала, возникающего при представлении движения руки (разгибание пальцев кисти), который регистрируется электроэнцефалографом. В основной группе пациентам проводили 10 занятий по одинаковой схеме: 3 сессии по 10 мин в день с перерывом на отдых не менее 5 мин. Во время сессии пациент сидел в кресле на расстоянии 1 м от экрана монитора. Каждые 10 с на монитор подавались визуальные задания на расслабление и воображение движений для правой и левой кисти.

При точном выполнении пациентом задания фиксирующая взор метка окрашивалась в зеленый цвет и экзоскелет выполнял разжатие кисти; при недостаточном воображении движения метка оставалась белого цвета и экзоскелет не срабатывал. По каналу обратной связи результат отображался на экране в виде графиков. Перед началом исследования все пациенты прошли неврологический осмотр с оценкой состояния по использованным шкалам. Динамика восстановления двигательных функций оценивалась по увеличению набранных по вышеперечисленным шкалам баллов.

Результаты использования комплекса «Экзокисть-2» показали, что у 70 % пациентов основной группы достоверно снижается спастичность по шкалам MAS и MTS. Тестирование силы мышц-сгибателей после курса реабилитации показало достоверное увеличение показателя у половины пациентов основной группы по шкале MRC-SS. По шкале MFS показано значимое улучшение манипуляторных возможностей руки. При этом улучшение произошло у 90 %, а у остальных изменения остались на исходном уровне. Наиболее значимо увеличилась способность пациентов выполнять повседневные действия по шкале ABILHAND-Kids. Динамики функции верхних конечностей по шкале MACS не выявлено.

Таким образом, результаты исследования показали, что кинестетическое воображение движения, лежащего в основе комплекса «Экзокисть-2», является эффективным дополнительным методом в реабилитационном процессе у детей старшего школьного возраста [3, с. 45 -47].

По статистическим данным Всемирной организацией здравоохранения (2019 год) 34 млн детей в мире страдают от инвалидизирующей потери слуха. Наиболее эффективным методом лечения и реабилитации для пациентов с этой патологией, является кохлеарная имплантация. Количество проводимых операций неуклонно возрастает. По мнению ведущих российских специалистов, в нашей стране потребность в кохлеарной имплантации составляет не менее 1000 операций в год. К 2018 году в мире было выполнено 350000 таких операций, в России - около 8000. Подобная распространенность этой операции связана с тем, что своевременно проведенное оперативное вмешательство способствует полноценной социальной адаптации пациента [1, с. 4].

Кохлеарный имплантат, как вид нейрокоммуникаторов, состоит из внешней (носимой) и внутренней (имплантируемой) части.

Во внешней части -- речевом процессоре находятся:

* микрофон;

* микропроцессор для преобразования звука в электрические импульсы;

* передатчик.

Имплантируемая часть содержит:

* приёмник;

* дешифратор сигналов;

* цепочку электродов (электродный массив), которые вживляются в улитку.

Материал химически и биологически инертен, не отторгается организмом и обладает свойствами хорошего электроизолятора (силикон). Электроды изготовлены из платины -- металла с высокой электропроводностью, характеризующегося биологической и химической инертностью. Звуки улавливаются микрофоном и преобразуются в электрические сигналы, которые, попадая в звуковой процессор, «кодируются» (превращаются в пакет электрических импульсов). Эти импульсы пересылаются на катушку передатчика и посредством радиоволн через неповреждённую кожу передаются в имплантат. Последний посылает пакеты электрических импульсов на электроды, локализованные в улитке. Слуховой нерв собирает эти слабые электрические сигналы и передает их в мозг. И, наконец, головной мозг распознает эти сигналы как звуки.

У пациентов с асимметричным снижением слуха кохлеарная имплантация является успешным, единственно возможным способом реабилитации, способным восстановить функцию слуха.

Было проведено исследование: пациентка М. 1978 гр., поступила на обследование по поводу снижения слуха в Санкт -Петербургский НИИ ЛОР. Из анамнеза известно, что М. страдает прогрессирующим снижением слуха и сопутствующим ушным шумом. По данным обследования коротколатентных слуховых потенциалов пороги обнаружения слева зарегистрированы при интенсивности сигнала 60 дБ нПС, справа не зарегистрированы при максимальном уровне сигнала 100 дБ нПС. При проведении электроаудиометрии, справа сохранена возбудимость слухового нерва на электрические стимулы.

Пороги восприятия «модулированных» тонов в свободном звуковом поле со СА на левом ухе колебались от 25 до 70 дБ при предъявлении в тишине, и от 55 до 90 дБ в шуме.

Разборчивость многосложных слов 40%, односложных слов - 0% в ситуации открытого выбора (в свободном звуковом поле со СА на левом ухе).

По результатам обследования был выставлен окончательный клинический диагноз: отосклероз, двусторонняя смешанная тугоухость справа - IV степени (глухота), слева - III степени, субъективный ушной шум.

Хирургический этап внедрения кохлеарного имплантата был выполнен успешно с полным введением электродов.

Тестирование пациентки с целью оценки эффективности слуховой реабилитации проводилось по стандартной методике в звуковом поле в тишине и шуме.

Пороги восприятия «модулированных» тонов в свободном звуковом поле после настроечных сессий, как правило, колебались от 25 до 40 дБ при предъявлении в тишине, и от 45 до 55 дБ в шуме, при одновременном использовании СА восстановилась способность к локализации звука.

Можно сделать вывод, что после внедрения кохлеарного имплантата качество жизни у пациентки стало значительно лучше [7, с. 161 -162].

Активная реализация ИМК в России происходит с 2016 года, проектом по массовому внедрению ИМК под названием НейроЧат занимаются ведущие ученые в области нейронаук, в том числе и А.Я. Каплан. Это инновационная платформа интерфейсов мозг-компьютер для нейрокоммуникации и нейротренинга, позволяющая набирать тексты мысленным усилием, развивать и тренировать когнитивные функции человека, контролируя электрофизиологические параметры работы головного мозга.

Освоение технологий нейрокоммуникации, то есть прямой контакт между мозгом человека и другими искусственными системами - это серьезный шаг к прорыву на пути к созданию симбиотических человеко -машинных систем. Эти системы - настоящий вызов времени, они смогут обеспечить глобальные конкурентные преимущества в технологиях сетевых коммуникаций.

НейроЧат, одна из реализаций технологии будущего рынка НейроКоммуникации, - это ответ на социальный запрос миллионов людей не только в России, но и во всём мире. Система мультиязычна: уже сейчас пользователям доступны интерфейсы и виртуальная клавиатура для ввода текста на кириллице, латинском, казахском и турецком алфавитах, ведутся работы по внедрению языков стран Азии, первым из которых планируется китайский.

НейроЧат не имеет языковых барьеров, набираемые тексты переводятся онлайн на язык собеседника. Поэтому формируемая на основе НейроЧат социальная сеть изначально проектируется как международная.

В феврале 2018 года совместно с Университетом Южной Калифорнии был проведён первый в мире сеанс международной нейросвязи двух человек с разных континентов: русский пользователь переписывался с американцами, у всех участников были сложности с общением стандартными методами, все участники писали на родном языке, а система осуществляла автоматический перевод с русского на английский и обратно [4].

Заключение

Проанализировав научную литературу, можем сделать вывод, что нейрокоммуникаторы активно внедряют в клиническую практику. Современные интерфейсы ускоряют восстановление больного. Возможно, дальнейшее развитие нейротехнологии позволит в недалеком будущем встраивать нейрокоммуникаторы в бытовую технику, в индустриальные системы, транспортные средства и мобильные телефоны, станут атрибутом носимых вычислительных и мультимедийных средств. При этом нет никакой необходимости вживлять электроды в мозг. На данный момент нейрокоммуникаторы - это единственный выход для общения у пациентов, лишенных речи и движений

нейрокоммуникатор конечность дети экзокисть

Список литературы

1. Википедия, интернет-энциклопедия

2. Калугина М.С. Анестезиологическое обеспечение кохлеарной имплантации у детей в аспекте интраоперационного тестиования и первичной настройки кохлеарного импланта: рукопись / ФГАУ «Национальный медицинский центр здоровья детей» Министерства здравоохранения РФ. Москва, 2020. 118 с.

3. Ларина Н.В., Корсунская Л.Л., Власенко С.В. Клмплекс «Экзокисть -2» в реабилитации верхней конечности при детском церебральном параличе с использованием неинвазивного интерфейса «мозг-компьютер» // Нервномышечные болезни. 2019. №9 (4). С. 44-50.

4. Нейрочат, официальный сайт

5. ПостНаука, образовательная платформа

6. Федотчев А.И., Парин С.Б., Полевая С.А., Великова С.Д. Технологии «интерфейс мозг-компьютер» и нейробиоуправление: современное состояние, проблемы и возможности клинического применения (обзор) // Современные технологии в медицине. 2017. №1.

7. Щербакова Я.Л. Кохлеарная имплантация у пациентки с асимметричным слухом: клинический случай // Российская оториноларингология. 2015. №3 (76). С. 161-162.

8. Naked Science, сетевое издание

Размещено на Allbest.ru