Новое осязание, полное слияние человека с машиной, возвращение утраченных возможностей и другие плоды науки о мозге сегодня и в ближайшие десятилетия

До середины века осталось совсем немного, но жизнь в те недалекие времена будет совсем иной. Людей старше 60 лет будет два миллиарда, но их не назовешь пожилыми, ведь они будут в отличной физической и интеллектуальной форме. Старческое слабоумие, шизофрения и наркомания станут излечимы, парализованные обретут возможность двигаться, а от последствий инсульта можно будет избавиться бесследно, как от насморка. Тогда как неизлечимые больные обретут здоровье, здоровые почти наверняка получат сверхспособности вроде феноменальной памяти, сверхбыстрого мышления и поголовного таланта. Все это не беспочвенная фантастика – повод рассчитывать на все эти достижения можно разглядеть в исследованиях и открытиях, которые происходят прямо сейчас, когда вы читаете эти строки.

Диагностика невидимого

Это начинается едва заметно: человек теряет интерес к своему хобби или начинает раздражаться по пустякам. Поначалу ничтожными шажками, а потом с ускорением болезнь Альцгеймера отбирает у мозга способность помнить, выражать мысли и воспринимать окружающий мир и двигаться. Самое страшное, что современные методы терапии лишь смягчают течение болезни, но не лечат ее. Из возрастных болезней эта обходится в развитых странах дороже всех.

Чем раньше удастся обнаружить болезнь Альцгеймера, тем больше шансов замедлить ее развитие. Шон Фрост и его коллеги из австралийской исследовательской организации SCIRO разработали недорогой, простой и точный способ выявления болезни на самых ранних этапах – по отложению патологического белка амилоида на сетчатке глаза. Именно накопление амилоида приводит к нарушению работы мозга, а поскольку глаза – это, по сути, продолжение мозга, по состоянию сетчатки можно судить о том, что творится в глубинах черепной коробки.

Будущее нейромедицины как раз за такими маркерами, которые на самых ранних стадиях позволяют отловить начало матологического разрушения клеток в глубинах мозга. Однако биомаркеры не обязаны сводиться к молекулам вроде амилоида: в будущем микрочипы, носимые на теле, смогут отслеживать малейшие изменения в движениях и жестах, тембре и скорости речи. Предшественниками этих будущих устройств можно считать сегодняшние трекеры активности, наподобие Shine – миниатюрного компьютера с сенсорами и светодиодами, который крепится на одежду или на запястье и собирает данные о движениях человека. Следующие поколения трекеров будут гораздо умнее. Анализируя историю записей за много лет, программа поймает патологию в неуловимых отклонениях и забьет тревогу. Так диагностика станет не только более ранней, но и более персонализированной, поскольку будет учитывать массу индивидуальных параметров и их уникальные сочетания.

Умные лекарства

Сегодня вещества из разноцветных таблеток и капсул размываются по всему организму и действуют без разбора на все ткани. Отсюда низкая эффективность и куча побочных эффектов. «Бьет точно в цель» – это ложный рекламный трюк, не имеющий ничего общего с реальностью. Однако в будущем лекарства станут действительно более меткими и даже умными, то есть способными отличать нужную им патологическую ткань или клетку и не трогать окружающие здоровые.

Это будет возможно благодаря связи действующего вещества с наночастицей, которая служит для молекулы лекарства пропуском, например, через барьер, отделяющий ткань мозга от кровотока, или входным билетом внутрь клеток определенного типа.

В распоряжении медицины сегодня есть целый зоопарк наночастиц, более-менее биосовместимых, обладающих разными свойствами. Магнитные частицы позволяют проделать настоящий фокус: создав слабое магнитное поле, можно стянуть большинство частиц с лекарством в конкретное место внутри мозга и выпустить их всем скопом по команде. Также можно связать лекарство с наночастицами, реагирующими на инфракрасный свет или ультразвук определенной частоты. В результате эффективные дозы лекарств и побочные эффекты уменьшатся, а терапевтический эффект многократно увеличится.

Пока что аналогичную технологию Айрат Гиззатов и его коллеги из Хьюстонского университета научились применять лишь для диагностики, то есть для более контрастного сканирования опухолей мозга у мышей, однако использование аналогичных наночастиц для точечной терапии болезней у людей – это лишь вопрос времени.

Хотя в сжатом изложении сценарий выглядит просто, дьявол кроется в деталях. Вопросы взаимодействия наночастиц с биологическими тканями – головная боль для ученых на ближайшие годы. Тем не менее ассортимент продуктов наномедицины будет только расти. Согласно прогнозу аналитической компании Transparency Market Research, через пять лет объем этого рынкадостигнет $177 млрд. Таким образом, в ближайшие десятилетия практика применения лекарств существенно изменится. Впрочем, настоящая революция в нейромеди-цине будет связана не с видоизменением лекарств, а с отказом от них.

Сети и стимуляция

В апреле 2014 года американское агентство передовых оборонных исследовательских проектов DARPA объявило о создании Отдела биотехнологий. Большая часть его программ посвящена нервной системе и ее стимуляции, то есть принудительному возбуждению или торможению нейронов.

Например, проект SUBNETS был вдохновлен неудачами лекарственной терапии душевных болезней. Вместо поиска новых лекарств авторы проекта обращаются к электрическому языку мозга: специальные устройства будут реагировать на патологическую активность нервных клеток и с помощью электрических импульсов возвращать их в нормальный режим работы. Это поможет больным избавиться от хронической боли и посттравматического стресса (PTSD), депрессии и наркотической зависимости.

Нейронные сети занимают не только американскую военщину, но и участников главного нейробиологического мегапроекта BRAIN, стоимость которого оценивается в $4,5 млрд (из них $110 млн уже выделено). По мнению его организаторов, именно коллективная активность миллионов клеток служит ключом к пониманию многих болезней нервной системы, поэтому, чтобы понять и лечить их, нужно научиться отслеживать все импульсы всех нейронов в живом мозге.

Возможно это или нет, вопрос открытый, но философия проекта отражает переворот в науке, который происходит на наших глазах: ответы теперь будут искать не в биохимии молекул, а в характере распространения сигналов. Ученые планируют найти новые такие маркеры болезни Альцгеймера, Паркинсона, депрессии, эпилепсии и шизофрении. Посмотрев на электрическую активность мозга пациента, врач должен понять суть заболевания и скорректировать его посредством мизерных стимуляторов, способных долго работать в живой ткани.

В наши дни глубокая стимуляция применяется, например, в качестве терапии болезни Паркинсона. Тонкий длинный электрод вставляется в голову, достигая глубоких областей мозга. Разряды, подающиеся через электрод, возбуждают нервные клетки, что приводит к частичному ослаблению симптомов заболевания. Но пока это похоже на игру вслепую. Электроды грубы, возбуждают сразу все окружающие клетки и не умеют обучаться. А главное – врачи не видят глобальной картины. Нанотехнологии, обещанные проектом BRAIN, позволят отслеживать происходящее по всему мозгу в мельчайших деталях и в реальном времени. И на основе увиденного корректировать работу огромных групп нейронов. Иными словами, медицину ждет бум стимуляции.

Прежде чем медики доберутся до головы, они поработают с периферической нервной системой. Несколько лет назад нейрохирург Кевин Трейси экспериментально показал, что стимуляция блуждающего нерва, который регулирует работу внутренних органов, подавляет воспаление. В 2011 году его компания SetPoint Medical приступила к клиническим испытаниям метода лечения артрита с помощью электричества: небольшой стимулятор зашивается под кожу в районе груди и подает импульсы на нервные волокна, снижая воспаление, отеки и боль.

Сегодня постепенно оформляется новая стратегия, перпендикулярная фармакологии. Американские нейробиологи уже составляют подробный атлас иннервации внутренних органов, который понадобится «биоэлектронной медицине». Это еще не революция, но ее первые предвестники. Производителям лекарств придется сильно потесниться. Впрочем, самые дальновидные из них уже готовят запасной аэродром – фармакологический гигант GlaxoSmithKline недавно инвестировал $25 млн в компанию Трейси.

В перспективе эти технологии позволят не только лечить больных, но и дадут сверхспособ-ности здоровым. Уже тестируются технологии, позволяющие усилить работу мозга с помощью электромагнитного воздействия. Нейробиолог Винсент Кларк из Университета Нью-Мексико (США) повысил способность к обучению у участников эксперимента, подавая слабый постоянный ток силой 2 миллиампера через электроды, прикладываемые к голове. «Они обучались быстрее, но у них нет никаких предположений или внутренних ощущений насчет того, почему это происходило», – пишет в статье в Nature автор. Эта область исследований, по его словам, «в скором времени испытает взрывной рост».

Такие эксперименты поднимают интригующий вопрос о скрытых резервах нашего мозга. Люди с феноменальной памятью редки, но само их существование доказывает принципиальную возможность помнить гораздо больше, чем доступно среднему человеку. Еще в 1950-х годах Уайлдер Пенфилд пытался лечить больных эпилепсией с помощью электричества, подаваемого по электроду глубоко в мозг. Его пациенты говорили, что при включении тока у них внезапно и очень ярко всплывали давно забытые сцены из прошлого: пациенты видели происходящее, слышали голоса, звуки и запахи. Время от времени тот же эффект наблюдают и сегодняшние врачи.

Стимулировать можно не только память, но и способности к вычислениям и творчеству. Профессор Аллан Снайдер, возглавляющий Центр по изучению сознания в Сиднее (Австралия), экспериментирует со стимуляцией передних височных долей посредством слабого по-стоянного тока и низкочастотных магнитных импульсов. После воздействия у людей происходят заметные улучшения способностей в рисовании, чтении и счете. Снайдер полагает, что магнитное поле подавляет зону левого полушария, участвующую в обработке сырых данных, поступающих в мозг, высвобождая активность правого полушария, и человек начинает непосредственно воспринимать поток данных еще до их анализа в левой височной доле. Профессор утверждает, что каждый из нас потенциально обладает способностью к фотографической памяти, перемножению больших чисел в уме, умению рисовать и другими талантами. Разница в том, что у некоторых людей от природы есть доступ к этим своим способностям, а у остальных он перекрыт активностью левого полушария.

«В моем идеалистическом образе будущего, – говорит Снайдер, – каждому взрослому будет доступен «думательный шлем», позволяющий воспринимать мир непосредственно и менее стереотипно. Может быть, возникнут «думательные бары» наподобие кислородных баров, куда человек сможет заскочить, чтобы наполниться вдохновением, – я шучу, но кто знает?»

Нейроинтерфейсы

Люди-киборги, нейропротезы, экзоскелеты и аватары – здесь будущее просматривается наиболее отчетливо. Дальнейшее усовершенствование технологий позволит связывать мозг с механическими устройствами. Сегодня парализованный человек может рассчитывать на одну руку-манипулятор – громоздкую конструкцию, присоединенную кабелями к компьютеру и требующую постоянной отладки. Пока это возможно лишь в научной лаборатории, и даже лучшие интерфейсы получают сигналы лишь от нескольких сотен нейронов. Когда их число перевалит через миллион, ситуация качественно изменится, управление протезом станет интуитивным и быстрым, неотличимым от владения обычной рукой. У парализованных появятся слаженно работающие конечности и в итоге полноценный экзоскелет. Им будут поль-оваться не только парализованные, но и пожилые люди.

Эту область исследований ждет расцвет, основная интрига в том, какой подход выйдет на первый план – инвазивный или неинвазивный. Вживление микроэлектродов в мозг – это хирургическое вмешательство, которое не всякому по вкусу. Проще и безопаснее фиксировать сигналы на поверхности головы, но они не такие точные. Поэтому прогресс пойдет в обоих направлениях: на смену металлическим электродам придут биосовместимые нанотрубки и беспроводные средства связи, информация будет идти от протеза в мозг и обратно, появятся миниатюрные источники энергии и микропроцессоры.

Отдельным видом терапии может стать погружение в виртуальную реальность, где больной будет действовать исключительно за счет силы мысли. Опыты Мигеля Николелиса на обезьянах показали, что их мозг быстро адаптируется к такой ситуации и через интерфейс успешно управляет конечностями, смоделированными на экране компьютера. Более того, животные научились этими конечностями осязать анимированные объекты.

От виртуального тела несколько шагов до реального аватара – дополнительного искусственного «тела», управляемого мозгом. Применения в основном будут не медицинские, хотя можно допустить и такую возможность. Несколько лет назад неврологу Эйдриану Оуэну удалось установить контакт с вегетативными больными, отслеживая изменения активности их мозга с помощью фМРТ и ЭЭГ. Такие люди не способны пошевелиться, не могут говорить и не реагируют на обращенные к ним слова. Оуэн показал, что некоторые из них в состоянии осмысленно отвечать на вопросы через управление своим воображением. Таким людям, не имеющим никакой связи с собственным телом, но остающимся в сознании, аватар может буквально подарить новую жизнь. Правда, этот сценарий в любом случае дело отдаленного будущего.

Зато уже в ближайшей перспективе получат распространение зрительные протезы. Сейчас ученые пробуют разные способы восстановления зрения через подключение оптического устройства к сетчатке, зрительному нерву и мозгу. Первые рабочие модели дают отвратительное качество картинки, так что сегодня с помощью протеза слепой может разве что определить источник света и очертания дверного проема. Но с развитием бионанотехнологий можно будет добиться не только четкого цветного зрения, но и сверхспособности видеть, например, в инфракрасном диапазоне, чувствовать магнитные поля и увеличивать изображение, различая надписи на расстоянии километра.

Отдельный класс нейропротезов будущего – импланты, берущие на себя функцию определенных участков мозга. Один из главных пророков такого будущего, Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии, в течение многих лет разрабатывает все более совершенные алгоритмы и микросхемы, имитирующие работу живых нейронов. «Мне давно говорили, что я чокнутый», – смеется Бергер и предъявляет результаты. В прошлом году ему с коллегами удалось вживить специальный чип в гиппокамп обезьян, обученных запоминать и выбирать символы на экране. Задание для животных сложное, и они нередко ошибались.

Нейрочип отслеживал активность нервных клеток и мог предсказать, какой выбор сделает обезьяна. Когда возрастала угроза ошибки, устройство выдавало серию электрических импульсов, имитируя «правильную» работу нейронов. Обезьяны резко улучшили выполнение задания.

Новая эра, где мозг будет объединен с электронными усилителями, приобретает отчетливые очертания. Бергер признается: «Я никогда не рассчитывал, что увижу подобное применительно к людям. Теперь же мы дискутируем о том, когда именно и как это произойдет. Никогда не думал, что доживу до этого дня». В ближайшие годы он планирует создать нейропротез долговременной памяти. Сначала на крысах, но тенденция очевидна. Улучшение памяти, обострение восприятия, эмоциональная устойчивость и даже абстрактное мышление – многие функции психики можно будет проапгрейдить с помощью быстрых и умных микро-компьютеров, подсоединенных к мозгу. И отказаться от такого соблазна будет чрезвычайно сложно. Преимущество, обеспечиваемое нейропротезами, неизбежно создаст ситуацию, когда «приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на месте». Не принявшие новые технологии рискуют стать аутсайдерами. Так мы все рано или поздно станем киборгами.

Выращивание нервов

Травмы головы, опухоли и просто старение приводят к невосполнимой потере нейронов. Невосполнимой сегодня, но в будущем медики научатся обновлять ткань нервной системы. Весной этого года ученые из лондонского Института неврологии показали, как это может работать. Лабораторным мышам перетягивали седалищный нерв и тем самым блокировали прохождение сигналов от спинного мозга к задним лапам. Грызуны не могли ими пошевелить. После этого ученые вводили животным в район бедра смесь стволовых клеток и молодых нейронов. За месяц новые клетки прижились и протянули длинные отростки, соединив их с парализованными мышцами. Новая связь была установлена, и движение восстановлено. «В течение пяти лет мы рассчитываем применить этот подход в клинических испытаниях на людях, – говорит Линда Гринсмит, соавтор эксперимента. – Многие пациенты теряют способность дышать, потому что мышцы диафрагмы постепенно становятся парализованными».

Следующие поколения врачей будут готовить из микроскопических срезов, например, кожи пациента нужный объем стволовых клеток и превращать их в клетки головного мозга, которые можно будет вводить в место поражения. Уже сегодня есть метод прямого перепрограммирования клеток кожи в нейроны, минуя стволовую стадию. Так, нервы можно будет прокладывать внутри организма, возвращая утраченные функции. Кроме того, в некоторых случаях с помощью лазера можно было бы контролировать направление роста нервов.

Не исключено, что со временем такая процедура перейдет в область косметической медицины. Люди будут делать нейротрансплантацию для омоложения, расширения возможностей памяти и даже с целью коррекции своей психики. Насыщая нейронами отдельные участки мозга, можно будет изменять свойства личности на заказ. Человек, пожелавший стать менее импульсивным или, допустим, более внимательным, сможет обратиться в клинику пластической нейрокоррекции и получить нужный результат. Добавление нейронов в зрительную или слуховую кору, возможно, даст удивительные эффекты в восприятии, которые скажутся и на мышлении. А в сочетании с продвинутыми средствами стимуляции получим на выходе усилитель мышления и творчества, качества которого сейчас предвидеть просто невозможно.

http://slon.ru/biz/1152335/