Создан мозговой имплантат для управления экзоскелетом

В Мельбурнском медицинском университете создан стентрод – гибкий имплантируемый модуль интерфейса «мозг – компьютер». Его введение в сосуды мозга выполняется путём минимально инвазивной операции. Вместе с экзоскелетом и бионическими протезами он поможет парализованным пациентам вновь обрести свободу движений.

Ежегодно в мире повреждения спинного мозга получают до полумиллиона людей. Их основными причинами остаются травмы, дегенеративные заболевания нервной системы и злокачественные новообразования. Большинство таких пациентов становятся инвалидами, не способными обслуживать себя самостоятельно. Аналогичные проблемы возникают у лиц, перенёсших инсульт. Одним из перспективных направлений их реабилитации считаются интерфейсы «мозг – компьютер», называемые в англоязычной литературе BCI (brain-computer interface) или реже BMI (brain-machine interface).

Игра без рук с помощью BCI (фото: cybathlon.ethz.ch).

Современные модули BCI регистрируют электрическую активность мозга и переводят её в управляющие команды с помощью носимого компьютера. С их помощью возможно «мысленное» управление различными внешними устройствами, протезами или даже собственными конечностями в обход повреждённых нервных путей. До сих пор интерфейсы «мозг – компьютер», предназначенные для реабилитации парализованных людей, были довольно громоздкими. Они создавались штучно под конкретного пациента. Их сложно было использовать в домашних условиях и адаптировать для серийного производства.

Первый мозговой имплантат с модулем BCI был установлен футболисту Мэттью Нейглу в 2004 году после того, как в результате травмы он сломал позвоночник. Этот блок выглядел как закрепляемая на голове коробка с толстым кабелем. Основная же часть устройства располагалась за спиной или крепилась на кресле. Каждое утро Нейгла и наблюдающих его медицинских сотрудников начиналось с процедуры калибровки устройства, а также дезинфекции мест соединения тела и машины. С таким блоком управления на голове Мэттью прожил три года, управляя «силой мысли» компьютером, телевизором, движениями левой руки и внешним роботизированным манипулятором.

Мэттью Нейгл и его интерфейс «мозг-компьютер».

Развивая данное направление, врач-невролог доктор Томас Оксли собрал научную группу из тридцати девяти специалистов шестнадцати учреждений Мельбурна. Он поставил перед ними задачу создать принципиально новую схему BCI. Она должна была круглосуточно выполнять считывание сигналов мозговой активности, находясь непосредственно в черепной коробке.

После долгих изысканий группе удалось создать модуль BCI в виде стентрода – гибкого стента, выступающего в роли электрода. Подобно водителю ритма, он вводится через магистральные сосуды и под рентгеновским контролем имплантируется близ выбранного участка коры головного мозга. Закрепившись, стентрод непрерывно регистрирует электрическую активность примерно десяти тысяч ближайших нейронов и транслирует её по тонкому проводу на внешний микрокомпьютер.

Благодаря однокристальным системам компьютер может быть настолько миниатюрным, что разработчикам удалось сделать его носимым. Он закрепляется на груди под ключицей и преобразует полученные сигналы от стентрода в управляющие команды, отправляемые по беспроводному интерфейсу на исполнительные устройства.

Сам стентрод изготовлен из нитинола – современного сплава никеля и титана с эффектом памяти формы. Он сделан как сосудистый эндопротез с длинным электродным контактом. Ранее использование нитинола было ограниченным из-за предположения о том, что ионы никеля будут постепенно выделяться при взаимодействии с биологическими тканями, оказывая токсическое воздействие и даже канцерогенный эффект. Современные исследования показывают, что на поверхности сплава образуется плёнка из оксида титана, которая препятствует разрушению нитинола внутри организма человека.

Стентрод — электрод внутри сосуда (фото: Мельбурнский университет).

«Используя технологию стента, наша матрица электродов самостоятельно расширяется и фиксируется в просвете вены, что позволяет нам регистрировать локальную мозговую активность. Расшифровывая эти нервные сигналы, мы можем использовать их в качестве команд для управления чем угодно. Доклинические испытания продемонстрировали принципиальную возможность созданного интерфейса «мозг – компьютер» управлять конечностями экзоскелета, бионическими протезами и инвалидными колясками», – поясняет инженер биомедицинской лаборатории университета Мельбурна, доктор Николас Опи (Nicholas Opie).

Имплантированный стентрод и носимый микрокомпьютер (эксиз: University of Melbourne).

«Впервые в медицинской практике мы смогли разработать и продемонстрировать устройство, которое может быть имплантировано без использования сложной нейрохирургической операции, – комментирует профессор Терри О’Брайен (Terry O’Brien), руководитель департамента медицинского университета в Мельбурнской Королевской больнице. – Оно может быть доставлено к нужной области мозга по кровеносным сосудам и выполнять постоянную запись его электрической активности. Наиболее очевидным преимуществом нашего подхода является возможность его использования для людей, которые оказались парализованы после инсульта или травмы спинного мозга. Это простой и неинвазивный метод, который гораздо безопаснее для пациентов».

Схема использования стентрода в интерфейсе «мозг — компьютер» (эксиз: Dr Thomas Oxley).

«В ходе доклинического изучения мы смогли успешно записывать активность мозга в течение многих месяцев. Качество записи было лучше, чем у внешних модулей BCI, так как стентрод находился внутри», – пояснил нейрофизиолог профессор Клайв Мэй (Clive May).

Созданный BCI-интерфейс авторы рассчитывают сделать массовым и ввести в клиническую практику в ближайшие пять лет. Благодаря этой разработке только в Австралии более двадцати тысяч парализованных людей смогут вновь обрести свободу движения. Первые три операции по его имплантации добровольцам запланирована на 2017 год. Оригинальную научную публикацию можно прочесть в Nature Biotechnology.