Российские ученые научились «подключать» протезы к нервной системе. Какие нейротехнологии уже работают в клиниках, а какие пока только в лабораториях? Наука Mail обсудила реальные достижения и перспективы нейрореабилитации с экспертом российской компании «Моторика».
Как нейроинтерфейсы помогают людям с ОВЗ
Уже существуют нейроинтерфейсы и медицинские приборы, которые помогают людям с ограниченными возможностями восстанавливать или замещать утраченные функции, купировать нейропатические хронические болевые синдромы, поддерживать сердечный ритм и доставлять лекарства при тяжелых заболеваниях.
Один из таких приборов — кардиостимулятор. Средняя частота сердечных сокращений для взрослых людей — 60 ударов в минуту. Если она падает ниже 40 или 30, этого недостаточно для полноценной жизни. Тогда кардиостимулятор подает электрические сигналы, которые позволяют мышцам сердца сокращаться и, в свою очередь, давать работу сокращению желудочка с ритмом, на который настроено оборудование.
Нейроинтерфейсы помогают купировать болевой синдром. Люди с травмами могут испытывать фантомную боль в отсутствующей конечности, похожую на жжение или сжатие фантомной руки. Чтобы облегчить боль, пациентам назначают тяжелые препараты наркотического действия (при фантомной боли основное лечение — это зеркальная терапия, психотерапия, антидепрессанты и антиконвульсанты, иногда добавление на основе морфина, кодеина, фентанила), которые негативно влияют на организм. Вместо них есть возможность имплантировать электроды в зону представительства спинного мозга, отвечающего за ту или иную часть тела. Например, если травмирована рука, то это шейный отдел позвоночника, если нога, то поясница или крестец, и так далее. При приступе боли пациент запускает стимулятор. Постепенно боль заменяют ощущения как покалывания, вибрации или мурашек, так и без ощущений (высокочастотная стимуляция), и со временем боль может уйти совсем.
Глубокая стимуляция головного мозга с помощью стимуляторов DBS (deep brain stimulation) помогает купировать приступы болезни Паркинсона. При погружении электродов в головной мозг стимулятор подает импульсы определенной частоты в определенную зону воздействия, и эти импульсы купируют приступы, которые мешают человеку качественно жить.
Для помощи пациентам с эпилепсией используют стимуляцию блуждающего нерва (VNS-терапию (VNS — vagus nerve stimulation)). На блуждающий нерв в районе шеи устанавливают спиралевидный электрод. Когда человек чувствует приближение приступа эпилепсии, он запускает стимулятор, прикладывая к нему магнит, и купирует приступ эпилепсии.
Также есть другое устройство для запуска — пульт пациента. Он позволяет запускать любое нейроустройство — например, устройство для стимуляции спинного мозга SCS spinal cord stimulation. Пациент нажимает на кнопку, происходит стимуляция. Если человек чувствует, что воздействия недостаточно, он может увеличить параметры стимуляции. Но только в разрешенных пределах: их предварительно настраивает врач, чтобы пациент не мог навредить себе.
В чем отличие российских компаний от Neuralink
Фокус на разные задачи и подходы. «Моторика» разрабатывает устройства для восстановления функций верхних и нижних конечностей, используя нейростимуляцию периферической нервной системы и протезы с обратной связью. Neuralink интегрирует чипы в головной мозг для считывания электроактивности и управления внешними устройствами, в основном для пациентов с травмами спинного мозга.
«Моторика» добилась успехов в купировании фантомной боли и возвращении проприоцептивных ощущений (например, сжатие руки в кулак, определение размера и твердости предметов без визуального контакта), а также работает со стимуляцией срединного, лучевого, локтевого нервов и со спинным мозгом в области представительства, отвечающего за фантомную боль.
Компания «Сенсор-тех» работает со стимуляцией коры головного мозга. В настоящее время они проводят доклинические исследования на обезьянах. Разрабатывают электрод, который в перспективе поможет пациентам при стимуляции зрительной коры видеть образы. Закрыв глаза, мы видим вспышки — фосфены. Благодаря стимуляции пациенты с потерей зрения получают возможность испытывать зрительные ощущения в виде вспышек — фосфенов, и таким образом появляется возможность частично восстановить зрение. Сейчас ведутся доклинические исследования, в перспективе будет разработан нейроимплант, который позволит решить эти вопросы.
Neuralink тоже ведет работу в этом направлении. Они работают с головным мозгом, как и «Сенсор-тех», только со своим устройством, которое позволяет не только стимулировать, но и считывать электрическую активность головного мозга и в дальнейшем подавать в ту или иную область электрические импульсы, которые будут вызывать какие-то функции.
Например, в головном мозге есть зоны, отвечающие за двигательные функции. В них имплантируются электроды, с них считывается активность у пациентов с травмой спинного мозга, и они могут работать с различными внешними устройствами с помощью силы мысли. Эти устройства работают как с точки зрения взаимодействия «человек — компьютер», так и с точки зрения стимуляции зон коры головного мозга, отвечающих за те или иные функции, в том числе и зрение.
Как будут развиваться возможности нейроинтерфейсов
В ближайшие 5−10 лет ожидается появление нейроинтерфейсов для работы с бионическими протезами (включая считывание электропотенциала головного мозга от компании Neuralink для управления устройствами у пациентов с травмой спинного мозга), устройств для восстановления утраченного зрения путем стимуляции коры головного мозга, и управления внешними устройствами с помощью сигналов мозга. Однако для выхода на рынок требуется длительный цикл доклинических и клинических исследований, апробаций и получение результатов на большой выборке пациентов.
Поскольку существует методология работы с органами, например, сердца, зрения, то, скорее всего, будут разрабатываться нейроинтерфейсы для запуска нервной системы, проращения нервных волокон, восстановления после травм спинного мозга. Сейчас такие исследования ведутся в специализированных центрах в рамках исследований: в пример можно привести метод «нейробридж» — установку электродов на спинной мозг и стимуляцию для пациентов со спинальной травмой.
В перспективе не исключено, что мы сможем восстанавливать функции вышедших из строя органов. Пока подтвержденных данных нет, мы об этом можем только фантазировать. Но наука не стоит на месте, она будет развиваться, а вслед за ней — и возможности нейроинтерфейсов. Тема относительно новая, но активно развивающаяся и показывающая свою эффективность в медицинском и научном сообществе.
Нейроинтерфейсы в рутинной медицинской практике
Уже сейчас нейроустройства, такие как SCS (Spinal Cord Stimulation) для купирования нейропатических хронических болей, VNS (Vagus Nerve Stimulation) для купирования приступов эпилепсии, и DBS (Deep Brain Stimulation) для терапии болезни Паркинсона, применяются в рутинной медицинской практике в Российской Федерации. Эти технологии оплачиваются за счет квоты по ВМП (высокотехнологичная медицинская помощь) по назначению врача, что подтверждает возможность превращения нейроинтерфейсов в привычные медицинские устройства.
В России около 11 млн людей с инвалидностью, что составляет 7,5% от общей численности населения. На сегодняшний день в стране работают 50 центров нейромодуляции в девяти регионах. В среднем в каждом крупном федеральном центре проводится 150 имплантаций постоянных систем ежегодно.
Среди самых востребованных вмешательств — хирургия боли (хронический синдром — одна из основных причин инвалидности). Востребованность хирургии боли в России оценивают в 30 000 операций в год, в том числе 7500 из них — методы нейромодуляции боли. В год в нашей стране проводят более тысячи операций по нейромодуляции боли.
Всего операций по функциональной нейрохирургии (включая интраоперационное тестирование с использованием тестового стимулятора, установку стимуляторов блуждающего нерва (VNS), глубокую стимуляцию мозга (DBS)) в год в России проходит около 3700 раз.
Нейротехнологии, возвращающие осязание или зрение
В России есть успешные кейсы. В частности, у «Моторики» есть успешный кейс испытаний в рамках научно-исследовательской работы, связанный с нейростимуляцией ЦНС и ПНС для очувствления бионических протезов.
Мы разрабатываем систему очувствления для пациентов, которые утратили конечность вследствие травмы. Этим направлением занимается всего несколько команд в мире. Мы проводим исследования по очувствлению бионического протеза совместно с ведущими университетами РФ и с 2021 года добились определенных успехов.
Мы работали с купированием нейропатических хронических болей верхней и нижней конечностях и очувствлением бионического протеза.
На первом этапе у нас были пациенты с электротравмами верхних конечностей и фантомными болями — ощущением жжения рук. Мы имплантировали электроды на периферическую нервную систему. Это срединный лучевой и локтевой нерв. Выводили электроды наружу и проводили тестовую стимуляцию для подтверждения гипотезы, что нам удастся купировать фантомные боли и подобрать сигналы, которые будут вызывать те или иные ощущения. При помощи стимуляции мы сумели вызвать ощущение, будто рука сжимается в кулак. И чем сильнее импульс, тем сильнее она сжимается.
На втором этапе у нас было уже три пациента с другими типами травм. Это предплечье, кисть и плечо. Мы работали как с центральной нервной системой (спинной мозг), так и с периферической нервной системой. Нам удалось купировать фантомную боль, и при стимуляции пациенты смогли почувствовать перцептивные характеристики фантомной руки (она сжималась в кулак). При помощи электродов и датчиков, которые мы разработали и установили на протез, мы добились передачи сигнала от протеза на нервную систему человека для очувствления бионического протеза.
На следующем этапе мы попробовали простимулировать уже нижнюю конечность пациенту с фантомной болью ноги. Мы разработали специальную стельку, которая при помощи датчиков передавала сигналы на нейростимулятор для очувствления стопы, чтобы в перспективе разрабатывать новые типы протезов, которые позволят управлять голеностопом в зависимости от походки и с поверхностью, на которую наступает протез с датчиками.
В 2024 году мы открыли Центр кибернетической медицины и нейропротезирования совместно с ФЦМН ФМБА России. И уже на базе Центра проводим следующие этапы исследований по очувствлению протеза. Также в этом году наш Центр получил грант Минобрнауки на создание научного центра мирового уровня для проведения таких исследований и разработки своих собственных нейротехнологий.
В этом году мы уже провели несколько операций, получили результаты и продолжаем проводить такие исследования. Если есть пациенты, у которых нейропатические хронические боли, они могут обратиться в «Моторику» для участия в исследовании и прохождения всех процедур включения в исследования.
Компания Neiry проводит исследования по модуляции психологических состояний, например, «счастья», а также по интеграции мозга с ИИ. Компания разработала устройство, которое считывает волны мозговой активности и дает человеку обратную связь о его психоэмоциональном состоянии. Майнд-трекер определяет индивидуальную частоту Альфа-активности (iAF), генетически заложенную особенность активности мозга, определяющую поведенческие паттерны человека. Благодаря обратной связи, которую дает устройство, человек может эффективнее бороться со стрессом, контролировать эмоции и концентрацию.
Выше мы уже говорили об исследованиях компании «Сенсор-тек» в области работы со зрением. Компания также разрабатывает нейроимпланты, помогающие людям с нарушениями слуха. Имплантируемая часть состоит из стимулятора и электродной цепочки. Стимулятор воздействует электрическими импульсами на нервные окончания, а речевой процессор обрабатывает звуковые волны и превращает их в последовательность электрических импульсов. Устройства помогают общаться даже людям, полностью утратившим зрение и слух.
Можно ли «обмануть» мозг?
Мозг, как и любая нервная система, достаточно гибка и способна воспринимать искусственные стимулы, позволяя при помощи нейростимуляции получать новые результаты и переквалифицировать активность нервной системы. Однако полностью заменить реальные ощущения искусственными сигналами на текущем этапе не представляется возможным в связи с недостаточно развитыми технологиями, которые необходимы для взаимодействия с живыми организмами.
Мы пока недостаточно знаем, как работает организм человека, чтобы получать более качественную обратную связь. Для этого необходимо и оборудование нового поколения, и научные изыскания, которые позволят посмотреть на процессы организма под другим углом. Необходимо дальнейшее изучение фундаментальной анатомии, физиологических и химических процессов живых организмов и технических устройств, а также взаимодействие их между собой.
Сейчас мы можем взаимодействовать с нервной системой человека. На химическом уровне мы разрабатываем лекарства, на генетическом — можем работать с организмом человека. Работаем с нейростимуляцией и считыванием сигналов с различными характеристиками, будь то мышечные сигналы для управления протезов, стимуляция нервов для очувствления протезов, зрительной коры головного мозга. Но сейчас мы можем достигнуть успехов только с точки зрения проприоцептивных характеристик — скажем, добиться сжатия фантомной руки в кулак или визуализировать фосфены. Но не можем достичь такой качественной картинки, какую видим глазами, или тех же ощущений, которые поступают от рецепторов на подушечках пальцев.
Наука развивается. Еще 50 или 70 лет назад кардиостимулятор состоял из двух пластин. Они накладывались на грудную клетку и на спину, и электрический импульс стимулировал значительную площадь человеческого тела. Сейчас это один маленький электрод, который устанавливается через подключичную вену, заводится в желудочки сердца, устанавливается рядом с синусовым узлом, и после этого производится стимуляция. Человек живет с имплантированным электродом и стимулятором, который автономно работает и позволяет комфортно жить. Эти операции делаются людям даже преклонного возраста. Поэтому технологии, конечно же, развиваются, биосовместимые материалы совершенствуются.
Сейчас уже существуют новые методы стимуляции, которые в перспективе помогут открывать новые возможности в очувствлении бионических протезов. Например, передача сигнала с такой же скоростью, как мы ощущаем собственные руки. Вы дотрагиваетесь до какого-то предмета и сразу понимаете, что вы до него дотронулись. Для этого необходимо обеспечить быструю передачу сигнала от протеза на нейростимулятор, а он, в свою очередь, должен подать такой сигнал, чтобы у человека не было задержки между прикосновением протеза и собственным ощущением. Такие нейростимуляторы с быстрой обратной связью мы как раз и разрабатываем в «Моторике». В перспективе они позволят открывать новые возможности для нейростимуляции.
На данный момент перед нейростимуляторами не стоит задача быстро передавать сигнал. Их задача — плавно запуститься и купировать приступ: боли, эпилепсии или болезни Паркинсона. А новые технологии будут разрабатываться и далее и помогать нам открывать новые возможности в нейроинтерфейсах.
Бионический протез с обратной связью
Разработка систем для очувствления бионических протезов открывает ранее утраченные возможности для человека и может привести к новым способам применения технологий в направлении нейро. Поскольку системы с быстрой обратной связью и имплантируемыми устройствами ранее не разрабатывались, такие задачи перед нейростимуляторами не ставили. О применении таких устройств сейчас можно только предполагать, рынок будет только расширяться исходя из задач врачей, которые смогут применять такие импланты после получения на него медицинского регистрационного удостоверения.
Наиболее сложные технические препятствия, которые стоят на пути создания полноценного бионического протеза с обратной связью, включают в себя:
- Разработку надежных датчиков (тензометрические, температурные и другие, заменяющие рецепторы человека) для считывания сигнала с протеза;
- Надежность передачи сигнала от этих датчиков на внешнее устройство (например, вибротактильная обратная связь или нейростимулятор), а также получение, обработка и передача сигнала с имплантированного устройства на нервную систему;
- Биосовместимость и обрастание электродов соединительными тканями, что в перспективе требует донастройки стимуляции (подобно кардиостимуляторам, требующим проверки каждые полгода).
Для решения этих задач необходимы новые материалы, предотвращающие отторжение, и отработка алгоритмов имплантации и взаимодействия со стороны врачебного сообщества. Вся система должна быть надежной, работа с ней мультидисциплинарна и требует участия врачей, биологов, инженеров, программистов, электроников и материаловедов. Также важно, чтобы эти устройства помогали не только пациентам с травмами, но и тем, у кого конечности отсутствовали с рождения (аплазия). Технологии требуют проверки временем для доказательства эффективности.
Клинические исследования
В данный момент «Моторика» применяет устройства уже существующие на рынке и имеющие регистрационное удостоверение на медицинское изделие. Функционал этих устройств предназначен в основном для купирования нейропатических хронических болей и в меньшей степени для задачи очувствления бионического протеза. Компания дорабатывает имплантируемое устройство для достижения целей, включающих не только купирование нейропатических хронических болей, но и очувствление бионического протеза посредством нейростимуляции периферической или центральной нервной системы. Ведется разработка собственного стимулятора, который будет передавать сигналы с протеза на нервную систему с высокой скоростью, приближенной к естественным сигналам от рецепторов человека.
Пациенты участвуют в исследованиях. Ранее уже участвовали шесть человек. Сейчас мы принимаем заявки на участие в пятом этапе клинических исследований способов снижения нейропатических хронических болей, которые будут проходить во второй половине 2025 года. Для участия пациенты должны соответствовать ряду критериев. Это возраст от 18 до 65 лет, отсутствие тяжелых соматических и психиатрических заболеваний, перенесенная ампутация верхней конечности (кисть, предплечье, плечо) и фантомные боли. Если фантомной боли нет (а они бывают не у всех), включить пациента в число участников исследования мы не можем.
Исследования проходят следующим образом. Сначала мы имплантируем электроды на нервную систему человека. Следом происходит подбор потенциалов стимуляции. Электрод выводится наружу, это называется тестовой стимуляцией. Она проходит в течение 2−3 недель. После того, как мы добиваемся купирования фантомной боли, электроды имплантируются подкожно, и пациента отпускают домой на месяц-два. После этого он возвращается, мы достаем электроды, проводим еще одну стимуляцию и соединение с протезом, обучаем пациента стимуляции. После получения результатов происходит установка постоянно имплантируемого стимулятора. Затем мы отпускаем пациента домой, и он живет с имплантированными электродами и имплантированным стимулятором, которые помогают купировать фантомную боль. На этом этапе исследование закончено.
Идеальный нейроимплант
На данный момент не представляется возможным имплантировать устройства человеку, не нуждающемуся в лечении или постоянном мониторинге.
Однако, если бы была возможность, я выбрал бы имплант для отслеживания состояния организма. Это устройство не требовало бы подзарядки, интегрировалось бы под кожу и взаимодействовало с внешними устройствами, такими как умный дом, компьютер, автомобиль. Оно отслеживало бы ключевые параметры здоровья (пульс, шаги, оксигенацию, уровень сахара в крови, давление) на протяжении длительного времени. Все эти данные автоматически фиксировались бы в приложении, которое могло бы предсказывать заболевания и давать персонализированные рекомендации (например, по приему витаминов или видам спорта), что позволило бы принимать обоснованные решения по качеству жизни и тем самым продлить жизнь.