Руки дошли: как будут выглядеть новейшие протезы и можно ли управлять ими силой мысли

Чуть приоткрытая ладонь и неплотно сжатый кулак, в который можно взять, например, микрофон — только два из четырнадцати положений или хватов, которые доступны каждой из Костиных искусственных рук. Его протезы миоэлектрические: в каждом есть по два электрода, считывающих импульсы двух мышц культи, — раньше они отвечали за сжимание и разжимание ладони. Когда Костя напрягает мышцу, как бы стараясь сжать кулак, возникающий в мускулах электрический ток провоцирует сжатие искусственной ладони. Напрягает другую мышцу — ладонь разжимается.

Так как электродов в протезе всего два, управлять им можно только двумя сигналами. Например, чтобы перевести кисть в другой хват, приходится посылать два сигнала разжатия подряд — как двойной клик мышкой. У каждого хвата два положения: чтобы перевести протез в нужное, надо поработать мышцами, отправляя руке что-то вроде двоичного кода — сам Костя называет это морзянкой. Впрочем, Дебликов объясняет, что в жизни ему хватает трех-четырех хватов, остальными он практически не пользуется. Костя показывает слайд с рекламой протезов: рука с вытянутым указательным пальцем тянется к кнопке на микроволновой печи. «Они что, думают, что я не смогу нажать кнопку, не вытягивая палец?» — шутит он, и зрители Geek Picnic разражаются смехом.

Почти сразу после Костиной трагедии началась кампания по сбору денег: стоимость протезов, на которые российский ампутант может рассчитывать по государственной медицинской страховке, — от 200 до 500 тысяч рублей в зависимости от региона, цены на продукцию западных производителей в несколько раз выше. Подключились друзья, знакомые по фаер-шоу, потом харизматичного Дебликова пригласили в передачу Андрея Малахова — в итоге к ноябрю прошлого года в его распоряжении было почти четыре миллиона рублей. Параллельно Костя выбирал протезы: «Я начал в интернете ежечасно все это смотреть — и на меня очень сильно подействовала реклама этих протезов. Они снимают отличное видео, ты думаешь: "Вау, наверное, это то, что максимально приблизит меня к руке, это так круто!»

Помимо этого Дебликов общался с другими ампутантами. Один из них, Денис Удовенко, которому во время купания в Японском море акула откусила руки, отговаривал Костю — и советовал более простой вариант немецко-австрийской компании Ottobock, способный на одно-единственное движение: сдвинуть пальцы щепотью. «Я его не послушал, хотя надо было. Да и выглядит Bebionic намного круче. Наверное, сказалось мое состояние, но мне просто хотелось иметь самое классное».

Рекламные видео действительно производят впечатление. Похожий на руку Терминатора протез нежно обхватывает куриное яйцо, держит бутылку, строит башню из кубиков — кажется, что кибернетическая рука почти такая же ловкая, как живая. «Сейчас я понял, — объясняет Костя, — что число хватов далеко не главная характеристика протеза». Куда важнее сила и скорость сжатия, защищенность от влаги, даже размер: «У меня довольно большой протез, он с трудом пролезает в манжеты рубашки, и вы не представляете, насколько это на самом деле мучительно». Но главное — технический прогресс, подаривший нам доступ к смартфону по отпечатку пальца и палку для селфи, не так уж сильно затронул электрические моторчики, которые по-прежнему остаются слишком громоздкими, слабыми и медленными, чтобы нормально сжимать механические пальцы.

Миоэлектрическая технология управления протезом была изобретена в СССР в середине 1950-х годов и с тех пор претерпела мало изменений. Главный ее минус даже не в том, что она не позволяет выполнять сложные движения, а в том, что на каждом движении руки приходится концентрировать внимание: протез воспринимает мышечное усилие, а не нервный импульс. Контроль над внешними устройствами непосредственно силой мысли, через нейроинтерфейс — одна из самых громких технологий близкого будущего.

По бежевому линолеуму лаборатории нейропсихологии и нейроинтерфейсов биофака МГУ движется игрушечная машинка с непропорционально длинным усом антенны. У стены, не произнося ни слова, стоит человек: его голову окружает пластиковый обод, едва заметный под микросхемами и проводами. Машинка сворачивает то вправо, то влево — человек в шлеме управляет ей силой мысли.

«Мозг — самая сложная материя, которая есть во Вселенной. Я не вижу перспектив понять детали происходящих в нем процессов, — с ходу ставит в тупик глава лаборатории Александр Каплан, и поясняет: "Детали понимать и необязательно". Достаточно считать, что мозг — черный ящик, в котором каким-то образом рождается комплекс электрических импульсов. Эти импульсы можно считывать с помощью электродов. Дальше есть три варианта действий. Первый — смотреть, какие импульсы рождаются в ответ на внешние раздражители, например, на загоревшуюся на экране букву. Второй — постараться выделить импульсы, возникающие в момент рождения сознательного желания, например, сжать пальцы руки. И третий, самый простой, именно с его помощью машинка крутит виражи на линолеуме.

«Мы считывали в мозге так называемый альфа-ритм. Условно говоря, если альфа-ритм увеличивался, машинка поворачивала направо, если уменьшался ниже какого-то уровня, то налево. Мы ничего не расшифровывали, альфа-ритм просто есть в голове, и все», — объясняет профессор Каплан. Исследователи воспользовались тем, что мозг имеет почти неограниченные способности к самообучению. «Альфа-ритм колеблется, по ходу работы мозга он то выше, то ниже. Сначала машинка просто дергается влево-вправо вслед за ним. Но мозг можно мотивировать, например, запустить машинку в лабиринт. К хаотическому движению подключается мотивация выбраться из лабиринта, и мозг постепенно учится повышать и понижать альфа-ритм так, чтобы машинка поворачивала в нужную сторону. Это происходит несознательно и больше похоже на то, как человек учится ездить на велосипеде». Как при этом перестроилась нейронная сеть, неважно.

Так почему бы не использовать несколько таких макросигналов для управления внешним протезом? Во-первых, отчетливых сигналов в мозге не слишком много. Во-вторых, они имеют какую-то собственную функцию, и их перепривязка к управлению внешним устройством может привести к непредсказуемым последствиям. А что, если пойти вторым путем — и посмотреть, какие сигналы возникают в мозге, когда в нем рождается какое-то конкретное желание? Я хочу сжать руку в кулак, моя нейронная сеть срабатывает особым образом, и если выделить соответствующий набор импульсов, его можно передать в протез через те же самые электроды. Но Александр Каплан объясняет, что это почти невозможно, если помещать датчики на кожу головы, а не вживлять их в кору мозга: «Это все равно что подвесить один микрофон перед скоплением народа на вечеринке. Каждый отдельный человек обсуждает что-то в своей небольшой компании, из этого складывается общий шум. Допустим, на вечеринке оказалось мало спиртного, всем его хочется, нужно кого-то отправить в магазин. Но как это общее желание отразится на общем шуме? Считать в нем конкретный сигнал почти невозможно».

Четыре устойчивых желания, когда нервные клетки реагируют пусть нестройным, но хором, все же существуют. Это желание сжать левую руку, сжать правую руку, подвигать ногами и сделать движение челюстью. Казалось бы, вот готовое решение для управления протезом. Однако, чтобы поймать эти желания, нужно непрерывно следить за энцефалограммой. Минимальная длительность, по которой можно принять решение, — 4-6 секунд, уровень ошибки — 30%. Значит, такой протез будет реагировать на команду мозга с большой задержкой и делать что-то не то в одном случае из трех.

Тем не менее эти команды может использовать полностью обездвиженный и лишенный речи человек, чтобы дать понять: пожалуйста, поднимите подголовник кровати; пожалуйста, перестелите постель. В этом случае задержка и невысокая точность не так уж важны, и простейший нейроинтерфейс может кардинально увеличить возможности человека и качество его жизни. Поэтому пока единственный готовый к коммерческому рынку продукт, созданный в лаборатории Александра Каплана, — так называемый нейрокоммутатор, система набора текста по одной букве для парализованных людей.

Хитрость здесь в том, что мозг не пытается вообразить, например, букву «а» — это опять была бы шумная вечеринка, на которой один человек думал бы о форме буквы, другой — играл в слова, начинающиеся на «а», третий — вспомнил одноименный трамвайный маршрут. Зато мозг реагирует на выделение этой буквы в контексте остального алфавита. Если непрерывно подсвечивать разные буквы на экране и писать энцефалограмму, можно научиться выделять в сигналах слабые различия — это делается с помощью самообучающейся компьютерной программы. Каплан говорит, что натренировать ее различать алфавит можно за четыре минуты. Точность распознавания доходит до 95%, скорость набора — около 15 букв в минуту. Вся система, состоящая из шапочки с электродами, усилителя сигнала и программного обеспечения, которое можно установить даже в смартфон, стоит не так уж дорого, самую сложную часть — чип усилителя — можно купить всего за 36 долларов.

Хотя расшифровать все сигналы мозга невозможно, это не значит, что управление протезом силой мысли остается недостижимой утопией. В минувшем мае в интернете появилось видео: 34-летний американец Эрик Сорто, парализованный ниже шеи после ранения, сидит за столом и силой мысли управляет механическим манипулятором — тот поднимает со стола бутылку с пивом, подносит к его губам и аккуратно ставит на место. Правда, для этого пришлось вживить электроды прямо в мозг Эрику — точнее, в заднюю теменную кору.

Эта система, созданная исследователем из Калифорнийского технологического института Ричардом Андерсеном, не первый подобный эксперимент в США. Лаборатория Мигеля Николелиса в Университете Дьюка провела несколько успешных опытов с приматами: обезьяны с вживленными в кору мозга небольшими иголочками учились управлять шагающим роботом. Похожая разработка группы из Университета Пенсильвании попала в 2012 году в число главных научных прорывов года по версии журнала Science — между прочим, наряду с открытием бозона Хиггса.

Подключение непосредственно к мозгу решает проблему распознавания сигнала в нестройном хоре нервных клеток, но никто не знает, к каким именно областям мозга нужно подключать датчики. Ученые действуют перебором вариантов: если в этом месте получить сигнал не удалось, можно воткнуть электрод в какую-нибудь другую точку. «Это имеет смысл, когда человеку уже нечего терять, — замечает Александр Каплан, — а относительно здоровому человеку никто, конечно, не будет сверлить голову и тыкать в мозг электродами почти наугад. Хотя я лично знаю двух человек, которым хочется среди первых на Земле трансформировать себя таким образом».

Стоимость опытных образцов такой технологии бесконечно далека от минздравовской квоты в полмиллиона рублей и доходит до десятков миллионов долларов. Но разработки Ричарда Андерсена и Пенсильванского университета финансируются американским военно-технологическим агентством DARPA — там видят большую перспективу в прямом управлении боевыми роботами-аватарами силой мысли. И огромная стоимость, и очевидные сложности с организацией клинических испытаний означают, что эта технология дойдет до реального медицинского применения в лучшем случае через несколько десятков лет. Только пилоты истребителей могут начать подключаться к своим самолетам через разъем на затылке немного раньше.

В ноябре 2014 года каждый из протезов обошелся Константину Дебликову в 1,7 миллиона рублей, сейчас из-за падения рубля он стоил бы уже 2,5 миллиона. Более простые и практичные протезы немецкой компании Ottobock, которые Дебликову помог купить анонимный благотворитель из Санкт-Петербурга, обошлись в 700 тысяч рублей за штуку. «Ситуация как с Apple, когда каждый год выходит новый "айфон" и все бросаются его покупать за бешеные деньги», — объясняет он. Технология полувековой давности, проблемы с механикой — почему же тогда так дорого?

«Когда мы создавали компанию, мы встречались с разными западными производителями. Нам прямо отвечали: 90% — это инвестиции в будущее и интеллектуальная собственность, стоимость железа составляет 5-10% от цены протеза», — говорит генеральный директор и главный конструктор российской компании «Моторика» Илья Чех. При этом результаты перспективных разработок пока ограничиваются незначительными бесполезными улучшениями вроде увеличения количества хватов.

Может быть, миоэлектрические протезы просто некуда улучшать? Это не так: Чех считает, что следующей ступенью эволюции могли бы стать протезы, использующие не два, а большее количество электродов, считывающих сигналы более мелкой мускулатуры. С помощью четырех датчиков на мышцах культи можно непосредственно распознавать уже шесть жестов кисти — для повседневной жизни более чем достаточно. С технической точки зрения это не очень сложно, однако такие протезы до сих пор не появились на рынке.

Илья Чех считает, что дело в консервативности медицинской системы — и в деньгах. Обычная система с двумя электродами относительно универсальна, снимать сигнал с крупнейших мышц можно примерно в одних и тех же местах у любого пациента, и протезисты хорошо знают, как это делать. Большее число датчиков — индивидуальная система для каждого человека, переучивание врачей, дополнительные расходы на клинические испытания и так далее. Именно поэтому и сама компания «Моторика», созданная чуть менее года назад в Москве, чтобы разрабатывать и производить недорогие российские миоэлектрические протезы, решила повременить с использованием большего числа датчиков. Но если для «Моторики» проблема заключается в том, чтобы сохранить укладывающиеся в страховку цены, то для западных компаний дело может быть в экономической целесообразности — по схожим причинам крупные фармацевтические компании выпускают в последние годы все меньше новых антибиотиков.

За футуристическими названиями скрываются медленные, неповоротливые гаджеты, каждое новое поколение которых отличается от предыдущих набором необязательных функций. Может быть, миоэлектрические протезы в принципе не так уж нужны? «Я знаю одну женщину в Москве, у нее, как и у меня, двойная ампутация и самые примитивные протезы — тяговые крюки, которые сжимаются за счет натяжения закрепленного на спине тросика, — рассказывает Константин Дебликов. — Она владеет ими виртуозно, все делает по дому, управляется с мелкими предметами. Неважно, какой у тебя протез, важно, как ты умеешь им пользоваться, как часто тренируешься, на что ты настроен». Тяговые крюки — самый популярный протез в США, подтверждает Илья Чех: «Когда человек первый раз приходит протезироваться, ему всегда сначала ставят временный крюк. И говорят: начните пользоваться этим, потом заменим его на руку с несколькими жестами. 90% людей, получивших миоэлектрический протез, возвращаются и говорят: верните крюк, я умею им делать больше, чем этой вашей рукой».

Перспектива развития протезов — не только их максимальное приближение по возможностям и удобству управления к обычным рукам и ногам, но и потенциальное расширение функционала. Искусственные ноги уже сегодня позволяют бегать быстрее обычных, а искусственные руки могут стать сильнее и ловче живых. Более того, ничего не мешает протезу со временем получить доступ в интернет, научиться проверять почту, расплачиваться за покупки или проигрывать музыку.

«Пока мы только разрабатываем недорогие миоэлектрические протезы, но уже предлагаем обычные, тяговые, — рисует ближайшее будущее Илья Чех. — Для детей у нас есть разные специальные модификации — мы можем дать ребенку чехол для телефона, водяной пистолет или крепление для скакалки. Протез может превратиться в устройство для лепки снежков — важное преимущество в снежной битве. Ребенок с ограниченными возможностями? А почему не с дополнительными?»