Когнитивное нейропротезирование - путь от эксперимента к клиническому применению

Кравченко С.В., Каде А.Х., Трофименко А.И., Вчерашнюк С.П., Малышко В.В.

Протез - техническое устройство, используемое для замещения утраченной части тела [1]. В настоящее время имеются искусственные аналоги для различных структур организма - конечностей, суставов, сердца, хрусталика глаза и многих других органов и их частей [2-4]. На переднем крае интенсивно развивающейся сферы протезирования находится создание нейропротезов - систем, использующих одно- и двунаправленную коммуникацию мозга с различными устройствами для восстановления функций организма (например, двигательных или сенсорных), утраченных в связи с неврологическими заболеваниями [5]. Исходя из типов восстановления утраченных функций, используются следующие модели нейропротезов: моторные, сенсорные, сенсо-моторные, когнитивные и другие. Моторные нейро-протезы обеспечивают считывание информации из нервной системы для управления искусственными конечностями и моторизированными инвалидными колясками [5-7]. Сенсорные передают в нервную систему сигналы от различных датчиков при протезировании органов чувств [6, 8]. Сенсомоторные нейропротезы совмещают в себе функции двух предыдущих, обеспечивая двунаправленный обмен данными, считывая из коры головного мозга двигательную информацию и передавая в него сенсорную [5]. Когнитивные нейропротезы позволяют реализовать функции более высокого уровня, такие как память и принятие решений [5, 9].

Данная область биомедицинских технологий отличается высокой степенью актуальности - гибель участков нервной ткани в головном мозге (например, в результате инсульта), нейродегенеративные заболевания, травмы приводят к инвалидизации пациентов, когнитивным и психическим нарушениям. Например, у 30-70% больных, перенесших инсульт, отмечаются когнитивные нарушения [10, 11]. Именно когнитивным нейропротезам, технологическим предпосылкам их создания, принципиальным вопросам их реализации и ключевым современным разработкам в данной сфере посвящен данный обзор.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

ЗАРОЖДЕНИЯ НЕЙРОПРОТЕЗИРОВАНИЯ

В XIX - XX вв. успехи хирургии привели к тому, что стала возможной имплантация в организм различных объектов. Это позволило создавать инва-зивные системы, заменяющие внутренние органы. Примером могут являться системы искусственного кровообращения, оксигенации крови, гемодиализа [3, 12, 13]. Хотя данные устройства не связаны с нервной системой, они обладают общей особенностью, важной в концептуальном плане для создания нейропро-тезов - замещают работу жизненно важных органов, будучи тесно интегрированными в физиологические процессы организма.

Ключевой областью для становления сферы ней-ропротезирования стало развитие нейромашин-ных интерфейсов («интерфейс мозг-компьютер») - устройств, непосредственно реализующих прямое взаимодействие между различными регионами мозга и внешними электронными устройствами, и иными техническими системами [6, 14]. Данное определение нейромашинных интерфейсов весьма созвучно с определением понятия нейропротезов, а некоторые исследователи даже считают их синонимичными [15]. При этом стоит отметить, что понятие нейромашин-ных интерфейсов все же является более широким, поскольку область их применения выходит за рамки нейрореабилитации. Так, нейромашинные интерфейсы рассматриваются и для применения здоровыми людьми при управлении робототехническими системами, компьютерами и транспортными средствами, а также в сфере досуга [16]. В связи с вышуказан-ным, нейромашинные интерфейсы («интерфейс мозг-компьютер») в данном обзоре будут рассматриваться не как понятие тождественное нейропротезу, а как самостоятельная технология, лежащая в их основе.

Временем рождения нейромашинных интерфейсов можно назвать 60-е гг. XX в., когда в ходе проведенного W. Walter эксперимента, пациенты смогли осуществить управление переключением слайдов проектора непосредственно сигналами, регистрируемыми с коры головного мозга через вживленные им по медицинским показаниям электроды [15]. Также в контексте истории развития технологий, необходимых для нейропротезирования, стоит выделить работы J. Delgado, впервые создавшего имплантируемое в головной мозг устройство - стимсивер. В опытах на обезьянах, стимсивер при обнаружении определенных паттернов нейронной активности миндалины, стимулировал ретикулярную формацию, что приводило к нормализации поведения экспериментальных животных, делая их более спокойными [17].

В клинической практике существует два основных подхода к использованию нейромашинных интерфейсов. В первом случае они применяются для считывания информации о воображаемом двигательном акте либо намерении его выполнить в системах биоэлектронного управления протезами конечностей у пациентов после ампутаций, либо для управления роботизированными манипуляторами-ассистентами и некоторой бытовой техникой у полностью парализованных пациентов [6, 18-20]. К этому же подтипу, в какой-то мере, можно отнести и создание сенсорных каналов для восстановления утраченных функций органов чувств (зрение, слух) или добавления чувствительности к протезам (тогда речь идет о двунаправленном нейроинтерфейсе) [19].

Второй подход заключается в использовании нейроинтерфейса как средства организации биологической обратной связи для перестройки нейронных связей в целях нейроре-абилитации после травм и инсультов, борьбы с эпилепсией и болевыми синдромами и т. д. [19]. Таким образом, нейроинтерфейсы, особенно с двунаправленной передачей данных, позволяют как связывать с нервной системой искусственные конечности, выводя их функциональность на качественно новый уровень, так и создавать протезы нового типа, а также служить основой для разработки когнитивных нейропротезов

[5].

В качестве одного из важнейших этапов в развитии когнитивного нейропротезирования можно выделить появление разработок, направленных на создание сенсомоторных нейропротезов, управляющих внешними устройствами при помощи нейромашин-ного интерфейса за счет когнитивных сигналов высокого уровня, в отличие от большинства моторных нейропротезов, использующих в качестве управляющего сигнала паттерны активности моторной коры, связанные с низкоуровневым корковым контролем непосредственно самого двигательного акта [21, 22]. В своих работах R.A. Andersen и соавторы, описывая результаты исследований по декодированию и использованию когнитивных сигналов для управления протезами

и иными внешними устройствами, связанными, например, с намерением осуществить движение, уже называют такие системы когнитивными нейропротезами. Также в этих работах обращено внимание на перспективы создания более сложных когнитивных нейропротезов, способных декодировать и передавать в машину информацию о настроении пациента, представляемых им абстрактных концептах и иных мыслительных процессах [23]. В то время, как вышеописанные базовые работы и похожие проекты, ведущиеся над актуальной проблемой сопряжения технических устройств и высших когнитивный функций человека посредством нейромашинных интерфейсов, сосредоточены именно на процессе регистрации и декодирования сигналов, связанных с высшими когнитивными функциями для задач управления либо установления контакта с парализованными пациентами, данный обзор сфокусирован на замещении и компенсации поврежденных у неврологических больных структур центральной нервной системы, связанных с реализацией высших когнитивных функций.

НЕЙРОМАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС

КАК ОСНОВА КОГНИТИВНОГО

НЕЙРОПРОТЕЗА

Нейромашинные интерфейсы достаточно разнообразны по своей конструкции, технической реализации и принципу действия. Для создания на их основе эффективных когнитивных нейропротезов, подходящих под задачи современной неврологии и нейрохирургии, они должны соответствовать определенным параметрам. По степени инвазивности способа регистрации биоэлектрической активности нервной ткани, нейромашинные интерфейсы делятся на ин-вазивные и неинвазивные [24, 25]. Хотя неинвазив-ные нейроинтерфейсы имеют значительно меньше рисков, связанных с хирургическими манипуляциями, необходимыми для установки инвазивных систем, последние обеспечивают существенно более высокое пространственное и временное разрешение, позволяя регистрировать активность отдельных нейронов, что имеет важное значение при разработке когнитивных нейропротезов [26, 27]. Для успешного замещения функции поврежденной нервной ткани либо создания путей в обход нее при помощи нейропротеза, нейроинтерфейс, посредством которого нейропротез интегрирован в нервную систему, должен обеспечивать как минимум двунаправленную передачу данных [28]. По данным литературы, для двунаправленного нейроинтерфейса обычно характерна структура, представленная тремя основными модулями (рис.).

Первый модуль - тканевой интерфейс, обеспечивающий непосредственный электрический контакт с нервной тканью, представлен регистрирующими и стимулирующими электродами. Второй модуль необходим для осуществления двунаправленного преобразования сигналов, получаемых из нервной системы, либо передаваемых в нее. Он включает в себя две подсистемы: систему получения сигнала от нейронов, представляющую собой усилители биопотенциалов и аналого-цифровые преобразователи; и систему стимуляции, содержащую в себе цифро-аналоговые преобразователи для формирования сигналов, передаваемых через стимулирующие электроды из первого модуля в нервную ткань. Третий модуль является наиболее вариабельной частью двунаправленного нейромашинного интерфейса, строение которого зависит от конкретной задачи, для которой этот нейро-интерфейс используется. В его состав могут входить фильтры, системы детекции и сортировки спайков и иные узлы, обеспечивающие обработку и преобразование информации [29-32]. В гибридных нейроки-бернетических системах, к которым можно отнести когнитивные нейропротезы, данная часть представлена искусственной нейронной сетью [32, 33].

ВОЗМОЖНОСТИ НЕЙРОПРОТЕЗОВ

В КОРРЕКЦИИ КОГНИТИВНЫХ

РАССТРОЙСТВ

Базисом многих когнитивных расстройств является нарушение связей между теми или иными структурами мозга. В силу особенностей церебрального кровообращения часто сосудистое поражение формируется в подкорковых базальных ганглиях и глубинных отделах белого вещества головного мозга, что в свою очередь вызывает нарушение лобно-подкорко-вых связей - феномен разобщения, приводящий к развитию фронтостриарной и лимбической дисфункции [34-36]. Другая распространенная причина когнитивных расстройств - нарушения, непосредственно, в работе самого гиппокампа. Гиппокамп участвует в процессах запоминания новой информации, выполняя функцию консолидации кратковременной памяти [36], вследствие чего, его повреждения сопровождаются нарушением формирования долговременной памяти [9] и развитием антероградной амнезии [37].

По данным патологоанатомических исследований, при атеросклерозе церебральных артерий с поражением средней мозговой артерии присутствуют изменения в зонах СА1 и СА3 гиппокампа [36]. Связь повреждения гиппокампа с когнитивной дисфункцией выявляется и в экспериментах на животных: например, крысы, подверженные воздействию нейротоксина хлорида триметилолова, вызывающего нейродегенерацию в данной структуре, демонстрируют необратимые изменения клеточного состава в полях СА3-СА4 и когнитивные нарушения [38].

У человека когнитивные расстройства, связанные с нарушениями в работе гиппокампа, часто развиваются после перенесенного инсульта. Как правило, этому способствуют не только вновь перенесенные нарушения мозгового кровообращения, но и предшествующие ему «немые» инфаркты мозга. Постинсультные когнитивные изменения представлены замедлением и быстрой истощаемостью когнитивных процессов, снижением способности к обобщению понятий, нарушениями памяти (повышенной тормозимостью следов) [10]. Как в клинических, так и в экспериментальных условиях, фокальная и/или глобальная ишемия, сопровождающаяся повреждением гиппокампа, приводит к расстройствам в когнитивной сфере [39]. Из вышеописанного следует, что протезирование гиппокампа является одной из перспективных задач нейроинженерии для коррекции когнитивных расстройств.

Разработки технологий протезирования гиппокампа в настоящее время ведутся в нескольких направлениях. Одной из них является отработка различных технологических решений с тестированием архитектуры нейропротеза на моделях in vitro. Эти модели могут быть представлены культурой нейронов, сопряженных при помощи двунаправленного нейромашинного интерфейса с искусственной нейронной сетью, и, в принципе, служат универсальными примерами для разработки не только протезов гиппокампа, но и потенциальных нейропротезов иных структур головного мозга [33]. Другой способ тестирования нейропротезов in vitro основан на...

Источник: cyberleninka.ru

Комментарии: