Нейроинтерфейсы. История вопроса и текущее состояние технологии в России и мире

Нейроинтерфейс, нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) или интерфейс «мозг-компьютер» (Brain Computer Interface, BCI) – это технология, обеспечивающая прямое взаимодействие между человеческим мозгом и электронными устройствами (компьютерами, смартфонами, роботизированными системами).

В основе большинства таких систем лежит электроэнцефалография (ЭЭГ, ElectroEncephaloGraphy, EEG), регистрирующая биоэлектрическую активность мозга через электроды, накладываемые на неповреждённые покровы головы. Другим способом фиксации мозговой деятельности является электрокортикография (ЭКоГ, ElectroCorticoGraphy, ECoG), однако в этом случае осуществляется имплантация электродов непосредственно на поверхность мозга. Наиболее широко оба этих метода применяется в медицине. Они позволяют с определенной достоверностью отслеживать мыслительные процессы.

Принцип работы нейроинтерфейса заключается в считывании паттернов мозговой активности, их преобразовании в управляющие команды и передаче подключенному устройству или приложению.

Основные области применения BCI:

• Медицина. Нейроинтерфейсы используются для лечения неврологических заболеваний, восстановления моторики, компенсации утраченных функций. Например, нейропротезы, управляемые силой мысли, помогают обездвиженным людям.
• Коммуникации. Люди с ограниченными двигательными и речевыми функциями используют нейроинтерфейсы для общения.
• Мониторинг психического здоровья. Нейроинтерфейсы отслеживают когнитивную нагрузку и эмоциональный фон, помогают контролировать состояние.
• Развлечения. В игровой индустрии нейроинтерфейсы позволяют управлять голографическими объектами и физическими игрушками силой мысли.

Виды НКИ:

• Инвазивные. Требуют хирургического вмешательства, электроды размещаются на поверхности мозга (эпидурально) или вводятся непосредственно в кору головного мозга (интракраниально), что позволяет считывать активность отдельных групп нейронов.
• Неинвазивные. Используют датчики, устанавливаемые на поверхности головы, сигналы мозга регистрируются посредством ЭЭГ, магнитоэнцефалографию (МЭГ) или функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ). Менее точны по сравнению с инвазивными.
• Интегрируемые с искусственным интеллектом (ИИ). Алгоритмы ИИ улучшают декодирование сигналов мозга, прогнозируют намерения пользователя и оптимизируют интерфейс.

В настоящее время нейроинтерфейсы широко используются в дистанционном управлении роботами и иной сложной техникой. Например, управление нейропротезом: интерфейс улавливает сигнал мозга о намерении согнуть руку, преобразует его в управляющую команду для микроконтроллера протеза, который выполняет соответствующее движение искусственной конечности. Также решения на их основе используются, например, для лечения синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ). Кроме того, в последнее время расширяется сфера использования НКИ совместно с технологиями виртуальной реальности в индустрии развлечений.

Наряду с этим ведутся разработки и внедрение методов обратной связи – технологий, позволяющих преобразовывать внешние команды в электрический сигнал, передающийся по нервной системе. Так, уже создан имплант, посредством которого электронные импульсы передаются к мышцам ног, позволяя людям с повреждениями спинного мозга вновь ходить, управляя своими действиями с помощью планшета.

История появления нейроинтерфейсов:

• В 1875 году английский физиолог и хирург Ричард Катон обнаружил электрическую активность в мозге кроликов и обезьян. В этом же году независимо от Катона русский физиолог В.Я.Данилевский в своей докторской диссертации изложил данные по изучению электрической активности мозга у собак. Эти ученые являются одними из пионеров открытия электроэнцефалографии.
• В 1924 году немецкий психиатр Ханс Бергер впервые зафиксировал активность человеческого мозга, разместив электроды на поверхности головы.
• В 1950-е годы испанский учёный Хосе Мануэль Родригес Дельгадо испытал прообраз нейроинтерфейса на мозге быка, с помощью которого смог изменить направление движения животного.
• В 1960-е годы американский учёный Грей Уолтер сумел зафиксировать электромагнитные изменения головного мозга при движении большого пальца с помощью электродов, закреплённых на поверхности кожи головы.
• В 1972 году был создан кохлеарный имплантат – первый медицинский нейропротез, позволяющий вернуть потерю слуха некоторым пациентам.
• В 1998 году американский нейробиолог Филип Кеннеди удачно провёл операцию по внедрению нейроинтерфейса в мозг парализованного пациента.
• В 1999 году учёные Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (University of California, Los Angeles) смогли представить сигналы, воспринимаемые мозгом кошки от её зрительной системы, в виде привычных человеку изображений.
• В 2005 году профессор Джон Доханью вживил полностью парализованному человеку чип BrainGate американской компании Cyberkinetics. После операции пациент научился двигать курсор по экрану компьютера, а спустя несколько лет – включать и выключать телевизор, подключенный к компьютеру и управлять роботизированной рукой.
• В 2009 году компания Emotiv Systems разработала нейрошлем, способный «понимать» эмоциональное состояние и уровень стресса человека.
• В 2021 году компания NextMind анонсировала устройство, с помощью которого можно управлять телевизором и компьютером, отдавая команды мысленно.

Текущее состояние технологии НКИ

Оценочный объем рынка нейроинтерфейсов невелик – всего 1,74 млрд долларов США. Ожидается, что к 2030 году этот показатель может вырасти до 6,2 млрд.

Среди современных НКИ, несмотря на относительно недавнее начало активной работы в этой области, уже имеется немалый перечень технических решений, активно использующих эту технологию.

Некоторые проекты в области нейроинтерфейсов за рубежом:

• Чип Brain Machine Interface (BMI) – НКИ инвазивного типа, разрабатывается компанией Neuralink (США) для лечения заболеваний, связанных с мозгом, а также для улучшения когнитивных функций, таких как память и концентрация. По заявлениям разработчиков, в первую очередь данный продукт будет использоваться в медицине, а также позволит управлять техническими устройствами, такими как смартфоны и компьютеры, усилием мысли. В мае 2023 года Neuralink получила одобрение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Food and Drug Administration, FDA) на начало клинических испытаний на людях. В январе 2024 года прошла первая имплантация Neuralink в головной мозг человека. В январе 2025 года чип BMI установили уже третьему пациенту. Другим многообещающим и доступным на данный момент вариантм НКИ этой компании являются гарнитуры Emotiv, в частности, серия Epoc, среди основных достоинств которой значительное число электродов, позволяющих регистрировать большее количество данных, а также открытый пакет разработки средств программного обеспечения (Software Development Kit, SDK), позволяющий создавать собственные приложения, и предоставляющий возможность беспроводного подключения через Bluetooth.
• Корковый интерфейс Cortical Interface Layer 7 (разрабатывается компанией Precision Neuroscience, США) – это тонкая пленка с микроэлектродами длиной примерно 1,5 сантиметра и толщиной меньше человеческого волоса, которые располагаются под твёрдой мозговой оболочкой на коре головного мозга, не вызывая повреждений. Технология предназначена для использования в медицинских учреждениях для лечения неврологических заболеваний. В июне 2023 года Precision Neuroscience провела клиническое исследование своего имплантата на людях. Эти испытания признали успешными. Компания планирует начать коммерческое распространение технологии в 2026 году.
• Эндоваскулярный чип Stentrode (разрабатывается компанией Synchron, США) – нейропротез, введённый через яремную вену и помещённый рядом с моторной корой. Восьмимиллиметровая гибкая чип-пластина передаёт сигналы на подкожный приёмник, имплантированный в грудь пациента, который далее подключают к внешнему устройству, что позволяет переводить мысли в нажатия клавиш на компьютере или мобильном устройстве в режиме реального времени. Synchron начали испытывать на людях еще в 2021 году. Сейчас этим устройством пользуются четверо американцев и трое австралийцев. Главная особенность технологии в том, что для её внедрения пациенту не нужно вскрывать черепную коробку.
• Beijing Xinzhida Neurotechnology (КНР). В апреле 2024 года компания представила свой нейроимплант Neucyber. Чип состоит из гибких микроэлектродов, устройств сбора нейронных сигналов и алгоритма генеративного нейронного декодирования. Устройство фиксирует изменения в электрических сигналах мозга, расшифровывает намерения пользователя и переводит мысленные команды в механические действия. В отличие от Neuralink, которая уже провела цикл испытаний на людях, китайская компания пока тестирует свой имплант на животных.
• Blackrock Neurotech – это одна из самых стабильных американских «нейрокомпаний» на рынке, занимается разработкой НКИ с 2004 года. Устройства компании помогают пациентам восстановить тактильные функции, управлять своими конечностями и протезами и управлять цифровыми устройствами посредством мысли. Некоторыми из ее продуктов являются: Blackrock NeuroPort System – система для записи и стимуляции нейронной активности с высоким разрешением; Utah Array – микроэлектродная сетка, имплантируемая в моторную кору мозга. Используется в клинических испытаниях для помощи людям с параличом; Cereplex Neural Interface – неинвазивное устройство, которое носится на голове, использует комбинацию электроэнцефалографии и магнитоэнцефалографии для записи электрической и магнитной активности мозга.
• Neurable – американский стартап, создаёт наушники для интерпретации сигналов мозга и повышения производительности по принципу обратной связи. Первый продукт, наушники Enten. В амбушюры (съёмная часть наушников, которая соприкасается с ушами) встроены небольшие электроды. Они фиксируют любую активность нейронов: например, её повышение во время чтения. После этого алгоритмы собирают данные, анализируют и расшифровывают. В сентябре 2024 года стартап выпустил наушники MW75 Neuro. Они отслеживают активность работы мозга при помощи электроэнцефалографии. Зафиксировав снижение концентрации внимания, устройство отправит уведомление на телефон с предложением пользователю сделать перерыв.

Помимо представленных и подобных им решений существуют также более узкоспециализированные упрощенные продукты на основе НКИ, в основном – в индустрии развлечений. Например, Mindball – настольная игра, в которой два участника при помощи нейроинтерфейса, управляющего магнитами под игровым столом пытаются загнать небольшой мяч в ворота противника.

Текущее состояние разработок нейроинтерфейсов в России

В России НКИ активно развиваются в медицинской, реабилитационной и коммерческой сферах, сочетая инновационные технологии с уникальными научными подходами.

Ключевые разработчики НКИ в России:

• Институт проблем передачи информации Российской академии наук (ИППИ РАН) заложил основы периферических нейроинтерфейсов, изучая нейромышечную активность для управления протезами. Работы ведутся с 1970-х годов, опираясь на теорию условных рефлексов И.П.Павлова и кибернетические подходы. Сильная математическая база позволяет исследователям института активно развивать методы анализа сигналов мозга, необходимые для генерации команд исполнительным устройствам и формирования сигналов обратной связи от протеза.
• Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (ИВНД и НФ РАН) осуществляет исследования в следующих областях: взаимодействие прямых и обратных условных связей, синхронизации электрической активности мозга, принципов кодирования сенсорной информации; изучения механизмов высших функций мозга (обучение, память, восприятие, сознание) человека и животных на системном, сетевом и клеточном уровнях; развития представлений о пространственно-временной организации процессов обработки информации в мозге и потребностно-информационной теории эмоций.
• Лаборатория нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ им. М.В.Ломоносова разработала первые неинвазивные системы на базе ЭЭГ. Ключевой проект «НейроЧат» (NeuroChat, запущен в 2015 г.) – это один из ярких примеров отечественных технологий, о которых можно сказать: «Сделано в России». Аппаратно-программный комплекс «НейроЧат» (АПК) включает в себя нейрогарнитуру «ГарАнт-ЭЭГ» и специальный интерфейс «ЭргоСтим», устанавливаемый на компьютер пользователя. Система распознаёт команды мозга и преобразует их в текст. АПК разрабатывали более пяти лет. Это совместный труд ученых из лаборатории МГУ, а также программистов и инженеров компаний «Нейротренд» и «Нейрочат». Исследования проводились при грантовой поддержке Фонда «Сколково».
• Компания Neurobotics (основана в 2014 г.) производит нейроинтерфейсы, робототехнические и реабилитационные изделия, а также разрабатывает нейрогарнитуры, нейроигры и нейрометрику. Компания создала нейроколяски и экзоскелеты для реабилитации, разработала устройства, которые позволяют управлять квадрокоптером, а также – медитировать, улучшать когнитивные способности и диагностировать ментальные нарушения с помощью мозговых импульсов.
• Стартап Motorica (2015 г.) один из крупнейших производителей функциональных бионических протезов и нейроинтерфейсов в России, локализует свое производство в особой экономической зоне «Технополис Москва». В кооперации с учеными Сколтеха и Дальневосточного федерального университета разработала бионические протезы рук с тактильной обратной связью. Технология подавляет фантомные боли.
• Научно-исследовательский технологический центр нейротехнологий Южного федерального университета (2016 г.) разработал нейроинтерфейс для управления техникой силой мысли, при этом точность распознавания паттернов активности мозга, соответствующих покою и мысленной речи, составила более 90%, а отдельных мысленно произносимых слов – более 50% при уровне случайного выбора 10%.
• Компания Innovative Brain Solutions (iBrain, 2017 г.) запустила нейротренажеры для постинсультной реабилитации, а также для улучшения спортивных результатов с помощью ИИ. Экспортирует свои решения в Германию и Израиль.
• Российская биотех-лаборатория Neiry (2017 г.) занимается разработкой нейротехнологий и созданием продуктов на базе интерфейсов «мозг-компьютер» для образования, развлечений, промышленности, медицины и персонального использования. В 2024 году ученые лаборатории разработки инвазивных нейроинтерфейсов института искусственного интеллекта МГУ совместно с биотех-лабораторией Neiry представили первую версию этических рекомендаций для индустрии нейроустройств – концепцию нейроэтики, регулирующую использование нейротехнологий.
• Компания Elvis Neurotech (2019 г.) разработчик первых в России инвазивных имплантов для восстановления слуха (Elvis C), зрения (Elvis V), лечения неврологических заболеваний (Elvis DBS, Deep Brain Stimulation) – устройство для глубокой стимуляции головного мозга, а также НКИ «мозг-компьютер» (Elvis BCI, Brain-Computer Interface) – для реабилитации парализованных людей. Клинические испытания запланированы на 2025-2026 годы.
• Центр биоэлектрических интерфейсов Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (ЦБИ НИУ ВШЭ, 2020 г.) впервые в России реализован двунаправленный моторный нейроинтерфейс, который не только декодирует сигналы активности мозга, но и обеспечивает сенсорную чувствительность. Пациент, управляя аватаром руки, может собрать хрупкие елочные шарики в корзину, не повредив их. Также ЦБИ НИУ ВШЭ разработали технологию мгновенной нейрообратной связи iNeurofeedback. Она позволяет человеку почувствовать активность собственного мозга и научиться управлять ей, например, для оптимизации скорости реакции у спортсменов или как средство борьбы с рядом неврологических расстройств, таких как синдром гиперактивности и дефицит внимания, эпилепсия, депрессия и т.д.
• LIFT-центр (Life improvement by future technologies, 2023 г.) негосударственный исследовательский, образовательный и внедренческий центр науки и технологий разрабатывает технологию прямого контакта с синапсами как основы нейроинтерфейсов нового поколения, а также методики восстановления пациентов с травмами позвоночника.
• Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС» ведет активную работу по созданию графеновых электродов для считывания активности мозга и для нейромиографических интерфейсов.

Текущее состояние и перспективы развития нейроинтерфейсов в России свидетельствуют о значительном потенциале данного направления. Для дальнейшего успешного развития НКИ необходимо активное сотрудничество между учеными, разработчиками, врачами и государственными структурами, а также инвестиции в научные исследования и разработки. Важно также уделять внимание законодательным и этическим аспектам применения нейроинтерфейсов, чтобы обеспечить их безопасное и эффективное использование в будущем.

Вместе с тем технология НКИ сталкивается с рядом ограничений, которые могут затруднить ее развитие и применение в полной мере. Некоторые из этих ограничений включают:

1. Безопасность. Возможно, это одно из самых критических ограничений нейроинтерфейсов. Имплантация НКИ в мозг может быть опасной так как в процессе операции возможны серьезные осложнения, включая инфекции, кровотечения и даже проблемы с функционированием мозга.
2. Этика. Разработка нейроинтерфейсов также вызывает этические вопросы, связанные с приватностью и защитой персональных данных пациента. Кроме того, использование НКИ для улучшения когнитивных способностей или других аспектов человеческих функций может привести к неравенству и существенным социальным изменениям.
3. Точность. Интерпретация сигналов мозга, получаемых нейроинтерфейсами, является еще одним ограничением. В настоящее время существует ряд проблем, связанных с точностью распознавания и интерпретации этих сигналов.
4. Цена. Технология НКИ еще находится в стадии разработки и требует значительных финансовых вложений, в связи с этим имеются серьезные ограничения в доступности их использования.

Выводы

Несмотря на несомненную актуальность и достаточно долгую историю исследований и разработки, в связи с трудоемким и дорогим процессом создания, рисками при внедрении, а также этическими вопросами, нейроинтерфейсы на данный момент остаются экспериментальной технологией, которая активно развивается и обеспечит совершенно новый опыт в области управления как техническими устройствами, так и своим телом.

Вместе с тем технология нейрокомпьютерного интерфейса имеет значительный потенциал для дальнейшего развития и применения во многих сферах жизни, а именно: в медицине, дистанционном управлении техникой и иных областях. В частности, в медицинской отрасли данная технология может использоваться для постоянного мониторинга мозговой активности в диагностических целях. Дистанционное же управление техникой при помощи НКИ поможет снизить риск травм при работе в опасных средах. Помимо этого, данная технология может упростить взаимодействие с электронными устройствами, так как при работе с помощью беспроводного НКИ отсутствует необходимость в физическом контакте с прибором.