Бездушная железяка

Ни одно фантастическое произведение о будущем не обходится без бионических протезов, неотличимых от естественных конечностей, а зачастую и превосходящих их по возможностям. И хотя до этого воображаемого будущего еще далеко, современные протезы уже далеки от образа деревянной пиратской ноги. С развитием технологий они становятся все более отзывчивыми к «командам» и исполняют задуманные движения точнее. Но остается проблема чувствительности: технооптимисты считают, что мы вот-вот сможем научить протез распознавать боль, мягкость, тепло, вибрацию, прикосновение. Технопессимисты ворчат: возможно ли вообще научить машину чувствовать, если мы даже не до конца понимаем природу простой человеческой чувствительности?

Маршрут построен

Сложная система, которая обеспечивает движения тела, состоит из механических участников — скелета, мышц, суставов, связок — и нервной системы, которая управляет управлят этой машинерией. Произвольные движения контролирует прежде всего моторная кора головного мозга. Она генерирует двигательные команды, которые спускаются по спинному мозгу, а потом передаются к мышцам через двигательные нейроны. 

Но одно дело — заставить руку или ногу совершить движение, например сжать чашку, и совсем другое — понять, что она твердая на ощупь или что необходимо чуть расслабить мышцы или сдвинуть палец, чтобы не уронить или не раздавить ее.

Такое тактильное восприятие называется сенсорной обратной связью. В норме кожа реагирует на разные раздражители: прикосновения, давление и сжатие, тепло и холод, боль. Когда вы берете в руку чашку, чтобы выпить чай, в работу включаются сразу несколько уровней нейронных систем, обеспечивающих точную сенсомоторную координацию: рецепторы кожи, ганглии и проводящие пути спинного мозга, ядра продолговатого мозга, таламус, соматосенсорная кора головного мозга. Именно в первичной соматосенсорной коре формируется целостный сенсорный образ, и вы наконец можете понять все, что вам нужно понять о чашке: ее текстуру и плотность, температуру и форму, пуста она наполовину или наполонена.

Эта информация из соматосенсорной коры передается уже в кору моторную, а затем, после предварительного анализа, по нисходящим путям доходит до нейронов, иннервирующих мышцы кисти. Получается петля с постоянной обратной связью: если вы начинаете сжимать чашку слишком сильно, соматосенсорная кора подскажет, что мышцам кисти стоит расслабиться, чтобы не раздавить ее до осколков. 

И двигательная, и чувствительная системы связаны с конкретными участками мозга. В моторной и соматосенсорной коре существует что-то наподобие карты всего тела — такой принцип организации представительств в мозге называется соматотопической организацией. В качестве относительной схемы расположения представительств той или иной части тела используют кортикальный гомункулус — двигательный и сенсорный, соответственно. Его можно упрощенно представить в виде человечка, у которого органы имеют размер, соответствующий представительству в мозге. Чем больше представительство и больше нейронных сетей — тем больше и часть тела гомункулуса: поэтому у него огромные губы и руки, но крохотные ступни.

Но вопросов о соматотопической организации все еще довольно много. Например, мы хорошо понимаем, как устроены представительства тех частей тела, которые используются чаще всего, тех же рук или губ. Известно, что за использование каждого отдельного пальца руки отвечают конкретные группы нейронов в коре, расположенные в виде колонок, причем каждому пальцу соответствуют пара зеркальных колонок, и нейроны в них включаются на разные импульсы: сгибание — разгибание. А вот пальцами на ногах люди пользуются значительно реже, поэтому отдельные участки коры, отвечающие только за мизинцы ног, найти и обозначить довольно сложно. Дополнительную сложность создает и то, что, хотя крупные части тела представлены упорядоченно, мелкие области — все те же пальцы — могут в пределах одной зоны коры. Это делает карту гомункулуса менее точной на уровне мелких деталей и куда более сложной для понимания и воспроизведения.

В дополнение к этим сложностям есть и еще одна: соматотопическая карта различается от человека к человеку. Хотя общая канва для всех примерно одинакова, индивидуальные особенности все же возникают в силу врожденных характеристик или жизненного опыта. Самый наглядный пример такого отличия: у активных левшей больше развиты зоны коры именно в правом полушарии. У правшей ситуация обратная — сильный перевес в левой части коры. 

Наши моторная и сенсорная системы элегантны, но чрезвычайно сложны для воспроизведения — для создания идеального протеза мало сделать просто хорошо двигающуюся структуру. Протез, полноценно имитирующий естественную конечность, должен воссоздавать обе системы: и двигательную, и чувствующую.

Игра в имитацию

Сымитировать двигательную компоненту протезом можно на нескольких уровнях: на периферии, подключив протез к оставшимся нервам и мышцам, или центральными механизмами, считав электрические сигналы напрямую с моторной коры.

Наиболее распространенные сейчас — периферические, миоэлектрические протезы, механизм действия которых основан на сокращениях с сохраненных мышц. Устройство считывает их активность электродами и использует эту информацию для движения .

Есть и другая, полностью инвазивная, но тоже периферическая система: управление протезом при помощи целевой реиннервации мышц. В этом случае оставшиеся двигательные нервы ампутированной конечности переподключают к . Через некоторое время пересаженные нервы приживаются, и когда человек думает о движении отсутствующей конечности, сигнал через нерв передается на реиннервированную мышцу, и та сокращается. Электрические сигналы мышцы улавливаются вживленными сенсорами и передаются на протез, который выполняет нужное действие. 

Эффективность периферических протезов зависит от качества и количества оставшихся в культе́ нервов и мышц, особенно если речь идет об ампутации всей конечности целиком. Кроме того, они не будут работать при полном параличе.

Если использовать периферические протезы нельзя, можно переключиться на куда более радикальный способ — считать электрическую активность напрямую с моторной коры. Например, в исследовании, проведенном в университете Джона Хопкинса, для картирования движений пальцев использовали высокочастотные гамма-ответы сенсомоторной коры, зарегистрированные с помощью . Но хотя протезы с центральным управлением эффективнее периферических, их очевидный минус — инвазивность. Кроме того, подключение к мозгу требует длительного периода обучения в декодировании сигналов. 

Несмотря на эти недостатки, современные протезы, в целом, не имеют проблем с движением, но вот их бесчувственность — вопрос совсем не решенный.

Шестое чувство

Точно так же, как с имитацией управления движениями, сымитировать действие соматосенсорной системы можно на периферии или центрально. 

К периферическим методикам относят сразу несколько направлений. Например, сейчас проводят эксперименты с сенсорной реиннервацией. Для этого участок кожи лишают исходной чувствительности и подключают к нему чувствительные волокна от ампутированной конечности. В ряде случаев мозг довольно быстро перестраивается на новые рельсы: например, у одной из участниц экспериментов оставшиеся нервы руки подключили к области грудной мышцы. Когда кто-то касался кожи груди, пациентка это чувствовала. Потенциально этот метод может помочь людям с ампутацией избавиться от частой проблемы — фантомных болей (подробнее про них мы писали в тексте «Просто больно»).

Можно пойти чуть дальше и иннервировать не собственную кожу, а искусственную, например, из пленок с датчиками различной модальности. Точно так же, как настоящая кожа, такие пленки могут состоять из нескольких слоев и воспринимать температуру, давление, или .

Увы, пока что все прототипы периферических имитаций сенсомоторной чувствительности не показывают носа из лаборатории: их применение ограничено или экспериментами на животных, или единичными пациентами. Но попытки центральной имитации, то есть активации сенсомоторной коры, еще более и непопулярны: это связано с неполным пониманием устройства соматотопической и сенсорной организации коры.

Похожая диспропорция между периферической и центральной имитацией чувств наблюдается при искусственном восстановлении слуха. В то время как периферическая стимуляция нейронов спирального ганглия с помощью кохлеарного имплантата дает практически естественный слух (подробнее про нее мы писали в тексте «Я вас услышала»), вызвать отчетливые слуховые ощущения, воздействуя на слуховые ядра ствола мозга, оказывается на порядок сложнее. Словно чем выше мы поднимаемся по уровням организации чувствительной системы, тем меньше понимаем и хуже ее имитируем.

Спутанное сознание

У искусственного подобия соматосенсорной системы длинный список проблем. 

Первая проблема — непостоянность ощущений: характеристики стимула зависят не только от самого прикосновения, но и от электропроводности кожи и контактов. Изменяется положение руки, повышается или понижается теплопроводность — и сигнал меняется или даже .

Вторая проблема — мультимодальность. В идеале сенсомоторный датчик должен воспринимать и давление, и температуру, и влажность, и тактильную информацию. Зачастую даже внутри сигнала — например, восприятия давления — существует разделение на поддомены: есть домены, воспринимающие сигналы о давлении, а есть — о вибрации. Когда мы гладим мурчащего кота, мы ощущаем пальцами сразу несколько совершенно разных модальностей: вибрацию мурчания, мягкость шерсти, тепло и даже, в зависимости от удачливости, шершавость кошачьего языка или остроту зубов. В нашей голове эти ощущения не перемешиваются, не сбивают друг друга и не формируют какое-то единое ощущение, хотя все приходят из одного источника — подушечек пальцев. Как именно организована тонкая структура разнесения чувств разной модальности в соматосенсорной коре, пока не известно. Поэтому и создать идеальный протез, способный разводить сенсорный поток на отдельные составляющие, не удается. В довесок к трудности кодирования появляются технические сложности: создание мультимодальных датчиков сопряжено с перекрестной чувствительностью, которая мешает точному измерению нескольких сигналов одновременно.

Третий кластер проблем — адаптация. Когда мы делаем что-либо, мы не сильно задумываемся над ощущениями. Но при оперировании протезом думать нужно постоянно: понимать, что вот это ощущение — это повышенное давление, это — прикосновение, а это — боль. Даже те протезы, которые воспринимаются пациентами как интуитивно понятные, все еще требуют концентрации. Вероятно, это проблема решаема, если встроить протез в уже существующий гомункулус, коль скоро собственная конечность оказалась из него выкинутой. Ведь соматотопическая организация может изменяться в ответ на повреждения или . С одной стороны, это дает надежду, что протез удастся успешно встроить в кору. С другой стороны, индивидуальность и изменчивость означают отсутствие универсальности, то есть в каждом конкретном случае протез надо будет подключать заново, что увеличивает и стоимость, и длительность .

***

Бесчувственная железяка пока что остается бесчувственной. Чтобы металлический холод протеза очувствовался, недостает и теоретической базы — детального понимания устройства соматосенсорной коры и границ ее пластичности — и технических средств: от компактных мультимодальных датчиков до подходящих электродных решеток для стимуляции соматосенсорной коры. Из-за этих сложностей суперпротез, вероятно, в ближайшее время не появится. Слишком много проблем вокруг чувствительной стороны, и слишком мало реально работающих решений.