Подкрепяни от ЕС учени постигат напредък в усилията за осигуряване на по-голяма независимост на хората с нарушени двигателни функции (снимка: CC0 Public Domain)
от Майкъл Ален
През 2009 г. бившият американски полицай Ричард Марш преживява тежък инсулт, който го оставя изцяло парализиран, но в съзнание — здравословен проблем, известен като „синдром на заключеност“. След малко повече от четири месеца, по някакво чудо, Марш се възстановява дотолкова, че да е в състояние да излезе от интензивното отделение.
Прекъсване на комуникацията
Повечето хора със синдрома на заключеност — рядко неврологично заболяване — нямат такъв късмет. Макар и да са в съзнание, пациентите обикновено остават почти изцяло парализирани и са неспособни да общуват.
Нов изследователски проект може да им предложи известна надежда. Наречен INTRECOM, проектът получава финансиране от ЕС, за да даде възможност на хората със синдрома на заключеност да общуват посредством имплантируем интерфейс мозък—компютър.
„Всъщност устройството е готово, но трябва да се извършат задълбочени изпитвания, за да се гарантира неговата безопасност при имплантиране за постоянно“, казва професор Ник Рамзи, невролог в Университетския медицински център на Утрехт, Нидерландия. „С това се занимаваме сега.“
Рамзи координира проекта INTRECOM, започнал през декември 2022 г. с продължителност четири години.
В целия свят ежегодно има няколко потвърдени случая на синдрома на заключеност. Той се предизвиква от увреждане на мозъчния ствол в резултат на инсулт или нервномускулно заболяване, като например амиотрофичната латерална склероза, или АЛС.
„Макар че мозъкът продължава да прави всичко, което се предполага да прави, изпращаните от него сигнали до тялото не пристигат“, казва Рамзи.
Окабеляване
Устройството има три части: 128 електрода, разположени в мозъка, електроника, която усилва събраните сигнали, и устройство, което комплектува информацията и я предава безжично на компютър.
Целият този хардуер трябва да бъде миниатюризиран така, че да може да бъде имплантиран.
В противен случай проводниците трябва да преминават през кожата на пациента, което би породило риск от заразяване „подобно на магистрала за навлизане на бактерии в мозъка“, казва Рамзи.
След приключване на изпитванията за безопасност по план устройството трябва да бъде имплантирано на двама пациенти с АЛС. Единият от тях е в Утрехт, а другият — в австрийския град Грац.
Целта на изследователите от INTRECOM е да извършат имплантациите през 2024 или в началото на 2025 г.
Дешифриране на речта
На следващия етап екипът ще обърне поглед към софтуера: изпитване на алгоритъм за изкуствен интелект за дешифриране на сигналите от мозъка.
Изследването на софтуера ще постави предизвикателства, тъй като липсва необходимата информация за създаване на моделите за дешифриране — няма пациенти с имплантирани 128 електрода.
„Ще ни се наложи да направим много експерименти за събирането на данни, за да получим данните, които ще ни бъдат необходими, за да започнем дешифрирането на реч“ — казва Рамзи. „Един от начините, по които ще направим това, е пациентът да чете „на глас“ предложени от нас текстове в съзнанието си — понеже не може да говори, разбира се.“
После изследователите могат да започнат да маркират данните от мозъка за целите на софтуера, защото ще знаят точно какво се опитва да каже пациентът.
Екипът ще обучи системата първо да разбира неголям брой команди от пациентите, така че те да могат да избират букви и да изписват думи на екрана.
Надеждата е пациентите да започнат да общуват със семействата си няколко месеца след поставяне на имплантите.
Крайната цел е да се даде възможност на пациентите да общуват по-естествено с помощта на гласов синтезатор. Според очакванията на изследователите пациентите ще могат да правят това след около година.
Рамзи и неговият екип възнамеряват да осъществят нов проект за имплантиране на интерфейса мозък—компютър на още 10 души след приключването на INTRECOM през ноември 2026 г.
С фокус върху уврежданията на гръбначния стълб
Мозъчните импланти могат да дешифрират не само речеви сигнали и се използват при пациенти, страдащи от загуба на двигателната функция в резултат от нараняване на гръбначния мозък, което годишно засяга около 750 000 души.
При тези пациенти имплантът е част от система, която заобикаля нараняването на гръбначния стълб, за да свърже отново невронната дейност с крайниците така, че те да могат да се използват отново.
Финансиран от ЕС проект, наречен NEMO BMI, се опитва да улесни живота им.
След първоначалното настройване на интерфейса мозък—машина тези пациенти трябва периодично да се връщат в лабораторията за повторно настройване на системата.
Те работят с асистент, за да коригират модела, който дешифрира мозъчната им дейност, докато крайниците им не започнат да им служат.
Проектът NEMO BMI, чиято продължителност е три години — до септември 2025 г., има за цел пропускането на тази стъпка, а периодичните настройки при необходимост да се извършват автоматично. Проектът освен това ще вгради дешифрирането на сигналите от мозъка в силициев чип за автономно използване вкъщи.
„Възможно е един ден да преминем от контролирано пренастройване на модела за дешифриране към автономни актуализации“, казва д-р Тетяна Аксенова, координатор на проекта и невроинженер в института за научни изследвания на CEA в Гренобъл, Франция.
Цифров мост
NEMO BMI представлява продължение на работата, започната по клинично изпитване за възстановяване на подвижността при хора, претърпели нараняване на гръбначния мозък, с помощта на интерфейси мозък—машина.
През май 2023 г. изследователски екип, участващ в това изпитване, докладва, че е успял да изправи на крака и възстанови ходенето на мъж от Нидерландия с тетраплегия.
Екипът постига това, като възстановява комуникацията между мозъка и гръбначния му мозък, увреден в пътнотранспортно произшествие през 2011 г.
Учените използват „цифров мост“, който свързва невронната дейност, разпознавана от мозъчен имплант, с електроди, които стимулират нервите в гръбначния стълб на мъжа.
Когато пациентът се опитва да раздвижи краката си, мускулите му вече реагират по желания от него начин.
Действие и намерение
От своя страна участващите в NEMO BMI изследователи се опитват да открият евентуален сигнал, който показва „дали действието отговаря на намерението на пациента“, казва Аксенова.
Като използва този тип сигнализиране от мозъка, тяхната система определя дали пациентите са доволни от постигнатия двигателен контрол, а ако не са — отново настройва устройството за дешифриране на сигнали, когато е необходимо.
Екипът на NEMO BMI работи с трима пациенти. В предварителното проучване при един от тях бе установен удовлетворителен сигнал.
„Сега се опитваме да генерализираме този подход за тримата пациенти при различни сценарии“, казва Аксенова.
С изминала едва една трета от проекта NEMO BMI и с все още много въпроси без отговор, тя е предпазливо оптимистична относно по-нататъшния напредък за оставащите две години от проекта.
Изследванията в тази статия са финансирани от ЕС чрез Европейския съвет по иновациите (ЕСИ). Статията е публикувана за пръв път в Horizon, списанието за изследвания и иновации на ЕС.