Нейробиолог Мигель Николелис в рамках мастер-класса World Science Festival представляет революционный взгляд на работу человеческого мозга. Рассказывая о тридцатилетнем пути от записи одного нейрона до создания глобальных интерфейсов «мозг-компьютер», он демонстрирует, как технологии позволяют парализованным людям снова обретать движение и чувство осязания.
⛈️ Охота за «мозговыми штормами» 0:09
По мнению Мигеля Николелиса, мозг является «центром вселенной», поскольку именно этот орган создает описание окружающего нас мира. Он сравнивает работу нейробиолога с работой метеоролога: чтобы понять, как функционирует мозг, нужно научиться «преследовать штормы» — электрические разряды огромных нейронных сетей.
Мозг описывается учёным как самоадаптирующаяся и самореферентная система. Николелис использует метафору оркестра, который умудряется менять свою конфигурацию и инструменты каждый раз, когда звучит новая нота. Главная цель исследований в его лаборатории — захват этих «мозговых штормов» и извлечение из них сообщений, которые можно преобразовать в команды для управления внешними устройствами.
Впервые исследователям удалось записать активность 100 нейронов одновременно у бодрствующей обезьяны, что позволило предсказывать движения её руки за полсекунды до их совершения. Когда сын учёного впервые услышал звук работы этих нейронов, он сравнил его с «приготовлением попкорна в микроволновке и прослушиванием плохо настроенной AM-радиостанции».
🧪 Эволюция технологий: от 1 до 2000 нейронов 3:10
За последние 25–30 лет технологии записи мозговой активности прошли колоссальный путь. Николелис вспоминает, что начинал свою карьеру с записи всего одного нейрона, а после получения докторской степени мог работать с двенадцатью.
Сегодня в лаборатории WSU используются:
- Микрофиламенты: гибкие металлические нити толщиной с волос, покрытые пластиковой изоляцией.
- Сенсорные кубы: устройства размером 10x10x10 микрофиламентов, обеспечивающие до 1000 контактов в одном блоке.
- Масштабируемость: в мозг взрослой макаки-резуса можно имплантировать до 10 таких кубов, что теоретически позволяет изолировать сигналы от 2000 нейронов одновременно.
Преимуществом этой технологии является её долговечность. Учёный утверждает, что они могут записывать активность одних и тех же субъектов в течение многих лет — в некоторых случаях до семи лет подряд. Николелис шутит, что у некоторых его обезьян «резюме лучше, чем у студентов», благодаря их роли в качестве ключевых протагонистов в статьях для журналов Science и Nature.
🐒 Обезьяна Аврора и освобождение разума от тела 7:32
В конце 1990-х годов научное сообщество скептически относилось к возможности создания интерфейса «мозг-машина» (BMI), так как животным нельзя напрямую объяснить задачу. Однако Николелис обнаружил, что макаки крайне сообразительны, особенно если в качестве награды предлагается свежий апельсиновый сок.
Эксперимент с обезьяной по имени Аврора стал историческим прорывом:
- Обучение: Аврора училась управлять курсором на экране с помощью джойстика.
- Запись: В это время компьютеры анализировали активность её моторной и соматосенсорной коры.
- Переход: Учёные внезапно убрали джойстик. Чтобы получить сок, Авроре пришлось просто представлять движение.
- Результат: Мысли Авроры транслировались в цифровые команды для роборуки, находившейся в другой комнате. Роботизированная рука управляла курсором, а обезьяна успешно продолжала игру силой мысли.
Николелис описывает этот момент как первый случай, когда «мозг примата освободил себя от физических ограничений тела для взаимодействия с миром». Спустя месяц тренировок Аврора научилась управлять тремя руками одновременно: двумя биологическими и одной искусственной.
🧠 Распределенный интеллект: как на самом деле работает кора 14:23
Исследования с BMI помогли сформировать новую парадигму в нейробиологии. Традиционный взгляд (френология) предполагал, что за каждое движение отвечает строго определенная область. Однако данные Николелиса показывают иное:
- Повсеместность информации: Данные о движении распределены по огромной территории фронтально-париетальной сети.
- Многозадачность нейронов: Одни и те же нейроны могут кодировать несколько параметров одновременно (положение руки, силу захвата и т.д.).
- Принцип популяции: Одиночный нейрон слишком «шумный». Для осмысленного поведения необходима работа целой сети клеток.
Учёный подчеркивает, что мозг обладает невероятной пластичностью. Когда обезьяна начинает управлять роботом, её нейроны быстро перестраиваются и начинают коррелировать с движениями механического устройства, а не своих собственных конечностей. Робот буквально ассимилируется мозгом как расширение тела.
⚽ Теория Пеле и расширение границ «Я» 21:51
Мигель Николелис утверждает, что всё, что мы используем для взаимодействия с миром — автомобили, велосипеды, клюшки для гольфа или смартфоны, — в конечном итоге становится частью нашего внутреннего представления о теле.
Для иллюстрации он приводит «Теорию Пеле» (в честь великого футболиста):
«Если бы мне довелось картировать моторную кору Пеле, я бы не нашел там просто представительство стопы. Я бы обнаружил гибрид — слияние стопы и футбольного мяча».
Подтверждением этой теории служат эксперименты с «иллюзией резиновой руки», когда мозг человека за несколько минут начинает воспринимать искусственную конечность как свою собственную, если видит, как её касаются одновременно с его скрытой от глаз реальной рукой.
Даже более того, мозг способен приобретать новые чувства. В эксперименте Эрика Томпсона крысам имплантировали инфракрасные сенсоры, подключенные к соматосенсорной (осязательной) коре. Спустя три недели крысы начали «чувствовать» невидимый инфракрасный свет как физическое прикосновение к мордочке и успешно находили источники излучения.
🌐 BrainNet: создание органического компьютера 33:08
Николелис пошёл дальше и объединил мозги нескольких существ в единую сеть (BrainNet). В одном из экспериментов две крысы находились в разных странах (Бразилия и США), будучи связанными через интернет.
Результаты коллективной работы мозга:
- Крысы-коллабораторы: «Крыса-кодировщик» передавала сигналы о правильном выборе рычага «крысе-декодировщику». Декодировщик принимал верное решение в 70% случаев, основываясь только на чужой мозговой активности.
- Синхронизация обезьян: Три обезьяны совместно управляли виртуальной рукой в 3D-пространстве. Каждая контролировала только две оси (например, X и Y или Y и Z), и для успеха им требовалось достичь синхронности на уровне 10 миллисекунд.
Учёный полагает, что подобные механизмы работают в человеческих коллективах: у баскетбольных команд, оркестров или футбольных фанатов на стадионе. Обратная связь синхронизирует тысячи мозгов в единый «органический компьютер».
🏟️ Проект Walk Again: триумф на чемпионате мира 44:22
В 2002 году Николелис и Джон Чейпин предположили, что BMI могут помочь пациентам с травмами спинного мозга. Спустя 12 лет это привело к созданию международного консорциума «Walk Again».
Главным испытанием стала церемония открытия Чемпионата мира по футболу 2014 года в Бразилии. Пациент Джулиано Пинто, парализованный ниже груди (уровень T4) в течение 10 лет, должен был нанести первый удар по мячу.
Для этого была создана уникальная система:
- Экзоскелет: гидравлическое устройство, управляемое неинвазивными сигналами ЭЭГ с поверхности кожи головы.
- «Искусственная кожа»: гибкие печатные платы с датчиками давления и температуры на стопах экзоскелета.
- Тактильная обратная связь: сигналы от стоп передавались на кожу рук пациента через специальную вибро-рубашку.
Джулиано сообщил, что благодаря этой системе он не просто ударил по мячу, но и физически почувствовал момент контакта. Интересный факт: FIFA ограничила демонстрацию всего 29 секундами, а сам Николелис жалуется, что организация до сих пор требует деньги за право показа кадров этого исторического момента в научных целях.
📈 Неврологическое чудо: восстановление спустя годы 56:20
Самым неожиданным результатом проекта «Walk Again» стала не сама прогулка в экзоскелете, а долгосрочный эффект тренировок. Спустя год после начала использования интерфейсов «мозг-машина» у восьми пациентов, считавшихся безнадежно парализованными, началось клиническое восстановление.
Статистика восстановления:
- Чувствительность: У Джулиано граница чувствительности опустилась на семь сегментов позвоночника ниже места травмы.
- Двигательная активность: Через 12 месяцев тренировок половина пациентов была переведена из категории «полный паралич» в категорию «частичный паралич».
- Долгосрочный эффект: Через 24 месяца семь из восьми пациентов показали значительное восстановление моторных и сенсорных функций.
Одна из пациенток, проведшая 14 лет в инвалидном кресле, после 9 месяцев тренировок смогла самостоятельно совершать шаги при поддержке строп, демонстрируя сокращение мышц ног. По мнению Николелиса, это доказывает, что правильное использование языка мозга и обратной связи может пробудить спящие нейронные пути даже спустя десятилетие после травмы.
