Отец киборгов: как нейроученый вживлял электроды в мозг и вернул речь парализованному

В начале лета 2014 года нейроученый Филип Кеннеди прилетел из Штатов в Белиз, маленькое государство в Центральной Америке на берегу Карибского моря, где ему предстояла операция на мозге. Хирургическое вмешательство требовалось не по медицинским показаниям. Как Кеннеди позже рассказал изданию Wired, он уже давно разыскивал подходящего для экспериментов пациента и наконец пришел к выводу, что самый надежный способ — поставить опыт на самом себе.

Большинству коллег такая авантюра показалась как минимум рискованной, если не сказать безумной. Тем не менее 21 июня ученому внедрили в мозг несколько электродов. С их помощью Кеннеди рассчитывал «взломать» нейронный код речи и понять, какие процессы помогают облекать мысли в слова и как на них можно воздействовать с помощью внешних импульсов. Операция обошлась в $30 000 и продлилась более 11 часов. Проводил ее местный хирург Жоэль Сервантес, за организацию отвечал Пол Поутон — бывший владелец ночного клуба, фермер и по совместительству основатель клиники Quality of Life Surgery, специализирующейся на хронических болях и заболеваниях позвоночника, абдоминопластике, изменении формы и размеров носа и груди. 

Спустя несколько часов после операции, когда пациент очнулся, доктор Сервантес решил проверить, как работает его мозг. К своему ужасу, он обнаружил, что Кеннеди не способен строить элементарные предложения, не может произнести вслух или написать названия самых обычных предметов — например, очков. Когда он взял ручку и сел перед чистым листом, вместо слов на бумаге появились бессвязные каракули. В тот момент Сервантес пожалел, что решился на операцию и помог известному нейроученому искалечить себя.

О чем мечтали исследователи мозга в XX веке

Филип Кеннеди признавался, что устройство человеческого мозга интересовало его с первых лет карьеры. Он родился в 1950 году в ирландском городе Лимерик и отучился на терапевта, но слишком высокая конкуренция на родине вынудила его отправиться сначала в Канаду, а затем в США. Там Кеннеди сменил специализацию, поступил в университет и в начале 1980-х получил диплом нейроученого. Спустя 16 лет он превратился в мировую знаменитость, поучаствовав в шоу «Доброе утро, Америка» и получив несколько грантов от медицинских учреждений и организаций в США. Журналист The Washington Post сравнил его с изобретателем телефона Александром Беллом, а коллега-ученый Рой Бэкэй назвал его исследования фантастикой в духе «Звездных войн».

«Соединяясь с компьютерами, мы выведем человеческий мозг на новый уровень, — говорил Кеннеди за шесть лет до легендарной операции. — Если мы сможем обеспечить мозгу быстрый доступ к неограниченным воспоминаниям, неограниченным вычислительным способностям, а также возможность мгновенно взаимодействовать с другими людьми без помощи проводных технологий, мы получим человека с непревзойденным интеллектом. Я уверен, что у нас получится продемонстрировать подобную связь между мозгом и машиной».

Тезисы Кеннеди могут показаться компиляцией идей в духе Айзека Азимова или Рэя Брэдбери. На самом деле нейроученый сам признавался, что основывался не на фантастах, а не предшественниках, которые до него пытались расширить возможности мозга с помощью технологий. Главным вдохновителем Филипа выступил испанец Хосе Мануэль Родригес Дельгадо. Тот в середине XX века пытался с помощью электродов воздействовать на определенные участки мозга и корректировать поведение живых существ. Сначала он проводил эксперименты на обезьянах и кошках, которые благодаря внешним импульсам становились спокойными или, наоборот, возбужденными.

Дельгадо рассчитывал, что революционная технология позволит исцелять людей от шизофрении и эпилепсии. Опыты показали, что с помощью вживления электродов можно избавить от боли жертв автомобильных аварий, которым не помогали даже самые сильные препараты. «Человеческая раса переживает поворотный момент эволюции, — сказал Дельгадо в 1970-м. — Мы близки к тому, чтобы конструировать собственные ментальные функции. Вопрос в том, каких людей мы хотим получить?»

Наибольшую известность испанец получил благодаря проведенной в 1963 году демонстрации с быком. Тогда Дельгадо вышел на арену с животным, которому предварительно внедрили электроды. С помощью специального датчика ученый воздействовал на участок мозга, отвечающий за гнев. В результате разъяренный бык успокоился и резко остановился, когда между ним и Дельгадо оставалось несколько метров.

Продвинуться дальше в исследованиях испанцу не удалось. Многие коллеги, политики и активисты считали его опыты неэтичными. Они боялись, что, открыв возможность влиять на эмоции, психологическое и физическое состояние других существ, Дельгадо решит установить полный контроль над мыслями и поведением подопытных. Финансирование свернули, и последние годы жизни ученый анализировал философские аспекты проекта по «улучшению» человеческой расы.

Филип Кеннеди разделял тезисы Дельгадо — он точно так же считал, что можно избавить людей от многих проблем, воздействуя на их мозг специальными датчиками. Однако ирландец действовал в другом направлении, нежели предшественник. Его интересовало, как воздействовать на мозг так, чтобы потерявший возможность говорить пациент получил возможность облекать мысли в слова с помощью электродов.

Почему идеи Кеннеди произвели сенсацию

Еще в середине 1980-х Кеннеди без особого успеха экспериментировал на крысах — тогда технические условия не позволяли надежно закрепить датчики на животных, не говоря уже о риске занести инфекцию или травмировать мозг. Из-за этого у Кеннеди и его коллег не получалось собрать надежные данные.

Как вспоминал сам ученый, тогда ему в голову пришла революционная идея: создать такие электроды, которые срастались бы с мозгом и надежно крепились в голове испытуемого. Он использовал миниатюрный стеклянный конус, наполнил его биоматериалом — связкой седалищных нервов — и провел через конус несколько проводов. Подсоединенные к ним электроды ученый поместил в моторную кору крыс — участок мозга, отвечающий за движение. Через некоторое время нервные клетки обросли вокруг датчиков и надежно закрепили их у грызунов в головах. Искусственно выращенные клетки выступили соединительной тканью для мозга и электродов. Теперь ученые могли наблюдать за мозговыми процессами подопытных животных не урывками, а на протяжении длительного времени.

Кеннеди запатентовал изобретение — оно получило название «нейротрофический электрод». В отличие от обычных электродов, которые оставались в мозге испытуемого инородным объектом, созданные по новой технологии устройства функционировали как импланты. Они функционировали как единое целое с нервными клетками животного, которому их вживляли. Вскоре после открытия Кеннеди оставил должность в Технологическом институте Джорджии и основал компанию «Нейронные сигналы». Там он усложнил технологию — в конце 1980-х его электроды усиливали нейронные сигналы в 10 000 раз, трансформировали их в радиоволны и передавали на приемник. С приемника радиоволны, в свою очередь, транслировались на ближайший компьютер.

От обезьян к людям: как Кеннеди создал первого «киборга»

После нескольких лет испытаний на животных в 1996 году Кеннеди добился от Управления по санитарному надзору разрешения протестировать технологию на человеке. К тому времени уже стало понятно, что нейротрофические электроды могут дать надежду парализованным людям, которые потеряли способность взаимодействовать с внешним миром. Фиксируя поступающие из мозга пациента сигналы, ученые теоретически могли преобразовать их в речь или письменные сообщения. Таким образом, человек, который иначе оставался бы заперт в собственном теле, получил бы возможность общаться с врачами и родственниками.

Первым испытуемым стал 53-летний ветеран Вьетнамской войны и строительный подрядчик Джонни Рэй, который в конце 1997 года перенес инсульт. После нескольких недель комы мозг мужчины функционировал нормально, однако его тело полностью утратило подвижность за исключением нескольких мышц лица и век. Единственным способом коммуникации для Рэя оставалось моргание — два раза, если «да», и один раз, если «нет».

Кеннеди внедрил в мозг Джонни нейротрофический электрод, а другой конец устройства подсоединил к радиопередатчику на черепе Рэя прямо под кожей головы. Ученый попросил мужчину воображать, будто он управляет компьютерной мышью. Когда Рэй представлял подобные действия, ученые наблюдали рост активности нейронов, которые отвечали за движение левой руки. Импульсы мозга расшифровывались и в цифровом виде поступали на компьютер, который распознавал сигналы Рэя и действовал в соответствии с ними.

Кеннеди занимался с пациентом три раза в неделю, и полгода спустя тот научился управлять курсором на экране компьютера исключительно силой мысли. Представляя, как он управляет мышью, Рэй кликал на фразы, описывающие его состояния,  например, «мне холодно». После долгих тренировок он научился выбирать отдельные буквы, составляя слова или короткие фразы. Следующий прорыв случился, когда Рэй объявил Кеннеди, что ему больше не нужно представлять движение руки для набора сообщения: достаточно думать об определенных буквах или отдавать команды воображаемой мыши.

Теоретически открытие Кеннеди открывало путь к лучшей жизни для десятков тысяч людей по всему миру — для жертв инсульта или бокового амиотрофического склероза. Раньше они существовали наедине с собой с помощью дыхательного аппарата или отказывались от помощи и умирали, не получив возможности пообщаться с близкими. Использование нейротрофических электродов, которые Кеннеди называл нейронными протезами для речи, помогло бы им не только взаимодействовать с другими людьми, но и относительно продуктивно существовать в обществе, насколько позволяло здоровье.

На стыке 1990-х и 2000-х ученый планировал вывести исследования на новый уровень, но за триумфом последовали две неудачи: у одного испытуемого не зажил разрез, и электроды пришлось удалить, у другого болезнь развивалась настолько стремительно, что трансляция нейронных импульсов на компьютер не принесла никаких результатов. Джонни Рэй — самый успешный испытуемый — действительно научился общаться с помощью мозга, но в 2002-м умер от аневризмы.

В 2004-м Кеннеди решился на новый эксперимент с Эриком Рэмси, молодым человеком, у которого кровь перестала необходимым образом поступать в мозг после автомобильной аварии. Ученый внедрил элетроды в область мозга, которая отвечала за работу губ, гортани, челюстей и языка в надежде вернуть пациенту способность говорить.

Участники исследования вспоминали, что результаты оказались удивительными: мозг Рэмси реагировал так, будто он разговаривал, в то время как сам молодой человек только представлял это действие. Ученые разработали устройство, которое преобразовывало сигналы в звуки. У Рэмси не получалось составлять осмысленные предложения, но сам факт того, что электроды вернули парализованному голос, вызвал у коллег Кеннеди уважение и восхищение.

Что пошло не так и зачем Кеннеди провел эксперимент на себе

В конце 2000-х исследования зашли в тупик: здоровье Рэмси больше не позволяло считывать отчетливые сигналы мозга, а найти нового испытуемого с инсультом или склерозом оказалось не так просто. За неимением добровольцев, которым здоровье позволяло бы внедрить электроды, в 2014-м Кеннеди решил провести эксперимент на себе. Он не страдал от соответствующих заболеваний и мог разговаривать, однако наблюдения за сигналами собственного мозга предоставили бы бесценный материал для дальнейших исследований.

Несмотря на опасения врачей в первые дни после операции в Белизе, со временем состояние Кеннеди нормализовалось. К нему вернулась нормальная речь, а когнитивные сбои сам ученый назвал побочным эффектом хирургического вмешательства. Вернувшись в Атланту, Кеннеди возобновил прием пациентов, а в остальное время занимался сбором данных: сопоставлял сигналы своего мозга с предложениями, которые произносил вслух.

Эксперимент продлился 88 дней — имплант не прижился, и датчики пришлось извлечь. В общении с журналистами Кеннеди предполагал, что неудача связана с решением использовать слишком большие электроды и поместить их под необычным углом для удобства сбора информации. Однако многие коллеги все равно уверены, что именно его энтузиазм и революционные идеи в будущем помогут лучше понять, как устроен человеческий мозг. «Это очень ценные данные, независимо от того, помогут ли они в будущем создать нейронные протез для речи, — сказал Эдвард Чанг, хирург и нейрофизиолог из Сан-Франциско. — Он совершил экстраординарный поступок».

И сам Кеннеди, и другие лаборатории продолжают исследовать взаимосвязь нейронных процессов с речью в надежде помочь парализованным пациентам. В 2015 году ученые из центра Уодсворта в Нью-Йорке совместно с немецкими коллегами представили новый эксперимент с внутричерепными имплантами и компьютерами. Семь испытуемых с эпилепсией декламировали разные тексты. Исследователи считывали данные об их мозговой активности и пытались воспроизвести отрывки с помощью нейронных сигналов. Во всех случаях компьютерная программа почти полностью повторила текст, основываясь на предложениях, которые участники эксперимента читали вслух.  

Филипу Кеннеди уже 72 года, но он по-прежнему смотрит на будущее нейронных протезов для речи с оптимизмом. Исследования в этой области продвигаются медленнее, чем в других сферах, а рынок «умных» конечностей, наоборот, стремительно развивается. Однако Кеннеди на протяжении карьеры сознательно ставил перед собой более сложную цель и до сих пор верит, что «протезирование» речи приблизит человечество к более долгой и счастливой жизни. В таком случае электроды могут распространиться повсеместно. В качестве примера Кеннеди приводит кардиостимуляторы, которые раньше крепились снаружи больного, а в наше время массово имплантируются практически без риска для здоровья пациента.

«Конечно, это зависит от того, как долго я проживу, но, думаю, на каком-то этапе своей жизни я увижу, что мы расширили способности мозга, — уверен Кеннеди. — Каждый пользуется мобильным телефоном, верно? Так почему бы не внедрить сотовый в мозг с помощью электронного устройства, которое подключалось бы к моторной коре? Если вам нужно связаться с кем-то или получить информацию, вы можете набрать номер или воспользоваться интернетом, просто подумав об этом. Большинство моих пациентов безумно пугает перспектива операции на мозге. Однако эти страхи совершенно беспочвенны. Люди постоянно переносят операции на разных органах, и операции на мозге ничем не отличаются от других».