Как работает киберпротез?

Киберпротезы — это продукт нескольких дисциплин: медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Это протезы нового поколения, в которые встроены механизмы автоматического управления, ведь, когда человек переставляет ногу при ходьбе, он не думает о том, какова совокупная работа по переносу ступни, изменению ее наклона в цикле шага, синхронному изменению угла сгибания в колене и так далее. Все перечисленное — это автоматические механизмы.

На сегодняшний день самое лучшее, что может позволить себе большинство инвалидов, потерявших, например, ногу от колена, — это прикрепленный к культе бедра вертикальный стержень с присоединенной внизу на шарнире горизонтальной планкой, заменяющей ступню. Проблема таких механических протезов заключается в том, что человек вместо ноги получает механический упор, который усилием оставшихся мышц переносит в цикле шага. Киберпротез, оснащенный движителями и аккумулятором, — это фактически самостоятельно шагающая нога. Плотно присоединенный к культе протез не только будет требовать меньше усилий при ходьбе, но сделает движение человека более естественным и удобным. При этом темп, размер шага и другие параметры движения могут быть подогнаны для конкретного пользователя.

Однако даже точно настроенный протез, позволяющий человеку без палочки и костылей с легкостью ходить по ровной поверхности, не справится, если потребуется идти по ступеням или повернуть в ту или иную сторону. Для каждого нового режима движения свои настройки. Переключение режимов движения протеза уже не может быть автоматическим, так как намерение изменить движение рождается в голове у человека, киберпротезу об этом не может быть известно.

Таким образом, совершенные киберпротезы при всех своих автоматических механизмах должны еще иметь систему управления непосредственно от мозга, хотя бы для переключения режимов. К счастью, к настоящему времени разработана специальная технология — интерфейс «мозг — компьютер», позволяющий на основе регистрации биопотенциалов мозга считывать простейшие команды человека (налево-направо, вперед-назад и так далее). Преобразованные в сигналы для механизмов протеза, они позволяют переключать режимы его активности. Таким образом, человек может прямо по ходу движения естественным образом, то есть мысленными командами, регулировать режимы протеза в зависимости от характера местности и цели своего движения, не используя для этого какие-то дополнительные пульты управления.

В расшифровке мысленных команд нет никакой мистики. Предварительно человеку предлагается много раз мысленно воспроизводить нужные движения, при этом алгоритмические системы распознавания образов находят соответствие между этими намерениями и определенными признаками в электрической активности его мозга. Натренированные таким образом алгоритмы в дальнейшем, уже при свободном проявлении намерений человека по ходу движения, с хорошей надежностью детектируют признаки того или иного намерения в коррекции движения, которые тут же транслируются к протезу как команды для переключения его автоматики в нужный режим: движение вверх по лестнице, поворот направо и так далее. Такие же принципы управления закладываются и в киберпротезы верхних конечностей. Например, в протезы кисти встраиваются 5–6 моторчиков, которые хорошо управляют пальцами. На рынке уже имеются киберпротезы кисти с управлением их режимами, хотя пока не от мозга, но от самих оставшихся на конечности мышц.

Перспективы использования технологии нейроинтерфейсов

Полнофункциональные киберпротезы еще не сделаны, но во многих лабораториях мира, в том числе и в нашей, уже идет исследовательская работа в этом направлении.

Что касается самой технологии регистрации электрической активности мозга, то она взята из медицины и в настоящее время очень практична: на голову накладывается несколько датчиков, надевается специальная шапочка со встроенными в нее несколькими сенсорами биопотенциалов, которые соединены с тут же расположенным процессорным устройством, расшифровывающим эти биопотенциалы и передающим команды для исполнительных устройств.

Конечно, есть перспективы использования таких технологий «мысленного» управления автоматикой не только для пациентов, потерявших конечность. Можно, например, вынести такое управление за тело человека: управлять внешними исполнительными устройствами. Возможно, это будет хорошим решением для разных сфер гражданской и военной индустрии, например для удаленного управления разного рода кибернетическими устройствами — от манипуляторов до роботов.

Киберпротезы могут заменять не только утраченные конечности. Всем известно, что уже много десятилетий при некоторых сложных хирургических операциях приходится останавливать сердце. В это время к человеку подключают фактически протез сердца, который в ходе операции выполняет его функцию — перекачивает кровь. Однако мало кто называет киберпротезом этот аппарат искусственного комплекса «сердца — легкие», потому что по габаритам он скорее напоминает шкаф, чем само сердце. В этом проблема — сделать подобные комплексы малогабаритными, встраиваемыми прямо в организм. Это касается не только сердца, но и любых других органов: печени, почек, поджелудочной железы и других. Мне представляется, что наука и технологии уже очень близко подошли к тому, чтобы создать компактные протезы внутренних органов. И уже практически устранены основные трудности создания искусственных схем управления этими органами непосредственно от мозга на основе технологии интерфейсов «мозг — компьютер».

Исключением в этом движении к протезированию органов является, скорее всего, сам мозг, потому что мозг — это информационно-аналитическое устройство. В нем хранится память, навыки, масса информации, фактически наши знания о мире. Какой бы совершенной ни была электроника искусственного кибермозга, в него не удастся перенести опыт жизни отдельного человека. Это не кибернетическая нога, которая не требует переноса в нее памяти естественной ноги для выполнения опорной функции. Поэтому тотальное протезирование мозга человека, скорее всего, невозможно. Разве что протезированию поддадутся отдельные области мозга, очень ограниченные в размерах и по выполняемой функции.