Все формы ментальной активности в конечном счете реализуются в виде мышечных сокращений, что позволяет нам взаимодействовать с внешним миром и общаться друг с другом: мышцы контролируют движения губ и глаз, выражение лица и формирование речи. Мышечные сокращения — неотъемлемая часть и сенсорных функций, например тактильных и кинестетических ощущений, для которых необходимы движения рук, и зрения, осуществляемого подвижными глазами.

Движения нашего тела отслеживаются большим количеством сенсорных рецепторов. Входящий поток сенсорных и моторных сигналов обрабатывается на разных уровнях нервной системы, включая высшие отделы мозга. Детали процесса обработки входящих сигналов, как правило, минуют наше сознание, и мы принимаем как должное то, что нам удается выполнять очень сложные задачи: ходить прямо, поддерживать равновесие, двигать пальцами, говорить и многое другое.

К сожалению, способность двигаться и ощущать может быть нарушена в результате повреждения нервной системы. Миллионы людей по всему миру страдают от сенсорных и моторных расстройств, вызванных переломами позвоночника, инсультом, болезнью Паркинсона, амиотрофическим латеральным склерозом и другими патологиями. Зачастую высшие отделы мозга все-таки сохраняют свою функциональность, но оказываются отрезанными от мышц, и в результате пациент не может двигаться, говорить или чувствовать.

Для множества моторных и сенсорных нарушений не существует эффективных методов лечения. Пациенты оказываются прикованными к постелям или инвалидным креслам до конца своей жизни. Разработка действенных методов реабилитации или устройств, восполняющих недостающие функции, — одна из важнейших задач современной медицины.

Искусственные части для нервной системы

Интерфейс мозг-компьютер (ИМК) — перспективное средство лечения многих неврологических патологий. В его основу положен принцип создания связей между неповрежденными участками мозга и вспомогательными устройствами, которые способны компенсировать моторные и сенсорные функции [1, 2, 3, 4, 5]. Например, пациенты, парализованные из-за перелома позвоночника, смогут восстановить подвижность, используя ИМК, который соединяет нейронные структуры моторной коры с роботизированными руками, экзоскелетами или нейроморфными электрогенераторами. Определенные успехи в разработке таких ИМК уже достигнуты [6, 7, 8, 9]. Более того, пациенты могут надеяться на восстановление чувствительности парализованных участков тела при помощи сенсорных ИМК, соединяющих соматосенсорные отделы нервной системы с протезами, оснащенными датчиками прикосновения и положения и вызывающими ощущения посредством электрической стимуляции коры.

ИМК не только помогают больным, но могут использоваться и здоровыми людьми, например в компьютерных играх [10] или в качестве будильника для водителей-дальнобойщиков [11]. В последнем случае состояние наступающего сна распознается по электроэнцефалограмме (ЭЭГ).

ИМК также часто называют ИММ — интерфейс мозг–машина. В целом эти термины взаимозаменяемы, но сложилась традиция называть неинвазивные интерфейсы термином ИМК, а инвазивные — ИММ. Также в качестве их синонимов используют термины «нейропротез» и «нейроимплант». В статье мы используем термин ИМК.

Интерфейсы мозг–компьютер — одна из тех областей знания, в  которой разрыв между научной фантастикой и практическим воплощением идеи не превышает 50 лет. Однако хотя количество публикаций по теме за последние годы возросло, многие ИМК-технологии до сих пор находятся на стадии лабораторной разработки, не используются в клинической практике и не поступают в розничную продажу. Исключение составляют некоторые мионические нейроморфные системы [12] и кохлеарные имплантаты [13, 14], уже сейчас успешно используемые в реабилитационной практике.

В обзоре мы разбираем моторные и сенсорные ИМК. Деление функций на сенсорные и  моторные, впрочем, довольно условно. В мозге любого организма участков, отвечающих исключительно за движение или ощущение, не существует [15, 16]. Поэтому недавно разработанные сенсорномоторные интерфейсы являются наиболее эргономичными [17].

История исследований и создание ИМК

Уже в середине 1960-х гг. проводились эксперименты на обезьянах, которым имплантировали мультиэлектродные матрицы для регистрации потенциалов коры и  электрической стимуляции [15, 18]. Было показано, что сенсомоторная кора активировалась, когда обезьяны производили движения, а электростимуляция коры, наоборот, вызывала сокращение мышц.

В 1963 г. Walter провел эксперимент, в котором был реализован первый ИМК в том смысле, как мы его понимаем теперь [19]. Пациентам по медицинским показаниям были имплантированы электроды в различные области коры мозга. Им предлагалось переключать слайды проектора, нажимая на кнопку. Обнаружив область коры, ответственную за воспроизведение этого мышечного паттерна, исследователь подключил ее напрямую к проектору. Пациенты нажимали на отсоединенную кнопку, но слайды продолжали переключаться: управление осуществлялось непосредственно мозгом, причем даже быстрее, чем человек успевал нажать на кнопку.

Идею, сходную с идеей современных ИМК, сформулировали в  конце 1960-х гг. ученые из Национального института здоровья США (National Institute of Health), которые заявили, что основным направлением их исследований будет разработка принципов и методов управления внешними устройствами с использованием сигналов мозга [20]. Исследователи имплантировали обезьянам в моторную область коры электроды, которые регистрировали потенциалы действия нескольких нейронов в то время, как животные двигали кистью [21]. Записанные разряды нейронов преобразовывали в  траекторию движения кисти с помощью линейной регрессии. Потребовалось еще десять лет исследований, чтобы осуществить такое преобразование в реальном времени: обезьяна обучилась управлять курсором на экране, активируя нейроны моторной коры [22].

Похожим исследованием руководил в то же время Fetz [23], но акцент был сделан на изучение биологической обратной связи, и перед учеными стоял вопрос: сможет ли обезьяна управлять разрядами своих нейронов произвольно? Выяснилось, что произвольное управление активностью ответственных за движения нейронов возможно даже и без совершения движений. Этот результат важен для понимания работы «зеркальных нейронов» и нейронов, задействованных в механизме эмпатии.

Одновременно с разработкой моторных ИМК исследователи создавали сенсорные интерфейсы [14]. В 1957 г. французским ученым Djourno и Eyriès удалось при помощи одноканального электрода, стимулировавшего слуховой нерв, вызвать звуковые ощущения у глухих. В 1964 г. Simmons представил многоканальный вариант изобретения. В 1970-х гг. House и Urban назвали устройство, состоящее из звукопреобразователя и многоканального электрода, кохлеарным имплантатом. Разработка получила одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Food and Drug Administration). После дальнейших усовершенствований кохлеарный имплантат был успешно внедрен в клиническую практику.

В 1980-х гг. начались исследования, направленные на восстановление зрения при помощи ИМК. Полностью слепым в зрительную кору имплантировали электродную матрицу. Вызываемые зрительные ощущения — своеобразные нейроэлектрофотопиксели — были названы фосфенами. Давно или вообще никогда не видевшие света люди научились распознавать несложные узоры из фосфенов [24, 25]. В настоящее время электросимуляционное зрение внедряется в клиническую практику: достаточно сложное изображение с видеокамеры (одной или нескольких) передается на нейроимпланты глаза или зрительной коры.

Бурный скачок ИМК-исследований пришелся на 1990–2000-е гг. Nicolelis и Chapin сконструировали ИМК, управлявший механическими конечностями [26]. Записанную у крыс в состоянии бодрствования активность коры и базальных ганглиев передавали на робот, который доставлял животному воду. Затем Nicolelis продолжил изыскания на приматах. Это направление исследований было реализовано в ряде проектов: контролируемая корковыми ансамблями роботизированная рука [27, 28, 29], ИМК искусственной тактильной обратной связи [17], ИМК для распознавания движений ног [30], ИММ для бимануальных движений [31] и другие.

В эти же годы начались эксперименты по имплантации электродов в мозг человека. Kennedy (в 2015 г. он имплантировал электроды самому себе) работал с пациентом с боковым амиотрофическим синдромом. В кору пациента был помещен электрод, впрыскивавший факторы роста миелиновых волокон через специальный наконечник. Имплантат позволил пациенту генерировать бинарный командный сигнал [32].

В начале 2000-х гг. несколько лабораторий начали конкурировать друг с другом в области разработки инвазивных ИМК. Группа под руководством Donoghue работала с обезьянами и людьми, в частности исследователи имплантировали мультиэлектродные матрицы в моторную кору человека, что позволяло парализованным людям управлять курсором [8] и роботизированными манипуляторами [9]. Schwartz и его коллеги изучали на обезьянах управление движениями в трехмерном пространстве [33]. В опыте с участием людей им удалось добиться максимального контроля в управлении антропоморфной роботизированной рукой [7] — пожалуй, это до сих пор наиболее продвинутая технология в этой области.

В процессе разработки ИМК Andersen, Shenoy и Vaadia, изучавшие различные участки коры в качестве источников сигналов для ИМК, создали новые оригинальные алгоритмы декодирования сигналов мозга.

Одновременно велись исследования и по неинвазивным нейроинтерфейсам, в основу которых были положены запись ЭЭГ, инфракрасная оксиметрия мозга и функциональная электростимуляция. Были предложены практические решения по управлению инвалидными креслами (Birbaumer, Pfurtscheller, Walpaw, Müller, Schalk, Neuper, Kübler, Millan и другими исследователями) и восстановлению подвижности конечностей после травм и инсультов [12].

Нейрональное декодирование и нейротюнинг

Как же моторные ИМК определяют параметры (свойства) движения по возбуждению нейронов? Множество нейрофизиологических исследований показали, что потенциал действия изолированных нейронов соответствует конкретным поведенческим проявлениям. К примеру, возбуждение нейронов моторной коры определяет позицию, ускорение и угол вращения руки. Разработчики используют такие соответствия для декодирования нейронных сигналов. При этом повторяемость и узнаваемость нейрональных паттернов, так называемый нейротюнинг (настройка) — ключевой фактор декодирования. Нейроны могут быть «плохо настроены», «зашумлены», что осложняет процесс их «расшифровки».

Кодирование нейронами различных параметров движений начали исследовать в 1950-60-е гг.: при помощи игольчатых электродов записывали внеклеточную активность одиночных нейронов в разных областях мозга. Это были исследования соматосенсорной [34], моторной [16] и зрительной [35] систем. Стало понятно, что даже одиночные нейроны демонстрируют устойчивые паттерны активности, кодирующиеряд сенсорных и моторных проявлений.

Методология записи одиночной нейронной активности впоследствии была использована во многих исследованиях. Wise и соавт. открыли, что нейроны коры активируются за несколько секунд до совершения движения. В их экспериментах обезьяны знали, какое движение они должны совершить, но были обучены не делать этого до срабатывания триггера [36]. Kalaska и соавт. использовали запись одиночной нейронной активности и задание на отложенное движение, чтобы изучить влияние визуальных стимулов на направление движения [37]. Эти эксперименты показали, что разряды нейронов содержат информацию как о  реальных движениях, так и о тех, что планируются мозгом, но не осуществляются.

Georgopoulos с коллегами исследовали паттерны одиночных двигательных корковых нейронов при движении руки в разных направлениях [38]. Оказалось, что зависимость между силой сигнала и направлением движения есть и  описывается функцией косинуса, т. е. частота разряда нейронов была максимальной для какого-либо направления, а затем снижалась по мере отступления от него. Чтобы объяснить, каким образом разряды нейронов трансформируются в движении руки в определенном направлении, Georgopoulos предложил концепцию популяционного вектора. Такой вектор представляет собой векторную сумму сигналов множества нейронов (нейронной популяции), которая меняется при совершении движения и отображает его направление. Интересно, что даже мысленное представление перемещения без совершения такового рукой, к примеру воображение вращения в пространстве на 90°, хорошо описывалось популяционным вектором [39].

Таким образом, стало ясно, что возбуждения отдельных нейронов несут информацию о поведенческих проявлениях и их параметрах и могут быть декодированы. Нейрофизиологи часто используют громкоговоритель для отслеживания разрядов отдельных нейронов. Опытный нейрофизиолог может сказать, чем занимается его подопытная обезьяна, просто слушая звучание разрядов. Декодер ИМК точно так же «слушает» нейроны и пытается предположить, какое движение или намерение означает это «звучание». Интерпретация тем точнее, чем больше возбужденных нейронов «слышит» декодер.

О чём поют нейронные ансамбли?

Чем больше «музыкантов» в нейронном ансамбле, тем выше точность декодирования: увеличение объема информации позволяет отсеять случайные шумовые флуктуации одиночных нейронов [1, 2]. Это не означает, что небольшие нейронные популяции бесполезны для ИМК. Иногда для работы интерфейса достаточно нескольких нейронов [33, 40]. Такие нейроны отличаются высокой степенью специализации. Иногда их называют «нейронами бабушки» или «нейронами Дженнифер Энистон», так как они реагируют исключительно на свойственный им стимул — фотографию бабушки или Дженнифер Энистон [41]. Если задача ИМК — распознавание присутствия бабушки или Дженнифер Энистон, такие нейроны удобны. Однако они встречаются относительно нечасто, и в действительности мозг воспринимает и  обрабатывает информацию иначе. С единичных нейронов можно уловить «мелодию», общую идею поведенческого проявления, но его «симфония» играется множеством инструментов. Чем больше нейронов вовлечено в процесс, тем точнее кодировка [2]. По этой причине матричная регистрация активности большого числа нейронов наиболее эффективна при создании ИМК. В частности, очень важно регистрировать сигналы больших нейронных ансамблей, если необходимо декодировать сложные поведенческие проявления [30]. Такая ансамблевая запись не только улучшает декодирование, но и обеспечивает его стабильность [1].

Алгоритмы декодирования

ИМК-декодеры используют методы статистики и машинного обучения для декодирования поведенческих проявлений нейронной активности. Исходные настройки декодера устанавливаются при помощи обучающей выборки. В опытах на обезьянах для настройки необходима запись нейрональной активности длительностью 5–10 мин. В течение этого времени животное выполняет задачу вручную, например двигает джойстик лапой [17, 28, 29], а декодер «научается» распознавать параметры движения (положение, ускорение, силу). Затем режим работы переключается на управление мозгом, и обезьяна достигает цели (наводит курсор на мишень) уже через декодер, а не при помощи лап.

Обучающая выборка может быть получена и без необходимости двигать рукой. Вместо этого субъект наблюдает за движением курсора, или — в случае с человеком — мы просим его вообразить движение. Такой подход особенно важен, если участник исследования парализован.

Выбор алгоритма декодирования определяется набором параметров, свойственных изучаемому поведенческому проявлению, характеристиками нервного сигнала (запись одиночных нейронов, потенциалы поля и др.), числом каналов записи, а также особенностями поставленной перед испытуемым задачи (например, непрерывное управление положением курсора или, наоборот, движение на основе случайного выбора).

При декодировании с использованием популяционных векторов обучающей выборкой обычно является набор простых движений, например от центра по радиусу в разных направлениях. Затем выполняется расчет популяционного вектора, представляющего собой сумму векторов отдельных нейронов, длина которых соответствует частоте разряда [39]. Несмотря на некоторые преимущества, одним из которых является наглядность, метод популяционных векторов далеко не оптимален, так как не включает статистические операции, улучшающие точность декодирования.

Похожим образом работает фильтр Винера (Wiener filter), но он гораздо точнее, поскольку минимизирует среднеквадратическую ошибку. Выходные данные фильтра Винера за время  t представляют собой взвешенную сумму частот разрядов нейронов, измеренных в нескольких точках в прошлом (5–10 точек с интервалом в 1 с) [42]. Весовые коэффициенты рассчитываются для каждого нейрона и каждой точки с использованием матричной алгебры.

Во многих случаях, например при наличии стереотипных паттернов движений, лучше работает другой фильтр — фильтр Калмана (Kalman filter). Фильтр Калмана распределяет переменные в наборы переменных состояния (например, положение и  скорость движения конечности) и переменных настройки (например, связь разряда нейрона с направлением движения). В процессе декодирования вектор состояния обновляется с дискретными временными интервалами (обычно 50–100 мс). При обновлении производятся два вычисления: предсказание следующего состояния и  его уточнение на основе данных нейронной активности. Уточнение использует эмпирическую модель, описывающую связи между паттернами нейронов и состоянием системы.

Сигма-точечный фильтр Калмана (unscented Kalman Filter) повышает качество оценки, произведенной с помощью классического фильтра Калмана, поскольку при использовании эмпирической модели учитывает нелинейные зависимости между срабатыванием нейронов и движениями.

Интересной прикладной особенностью нейронального декодирования является его работа «в  обе стороны» — возможность разрабатывать новые аналитические математические методы на основе данных о физиологии взаимодействия между нейронами. Например, так называемые искусственные нейронные сети (artificial neural networks) во многом копируют организацию нервной системы и используются для интерпретации деятельности «обычных» нейронных сетей. В ряде лабораторий для декодирования применяют рекуррентные нейронные сети (recurrent neural networks) [43].

При решении задач, предполагающих ряд дискретных ответов, используют дискретные классификаторы. Примером является ЭЭГ-декодирование букв и цифр по корковым потенциалам [44, 45]. В ИМК-декодировании также нашли применение другие методы машинного обучения: гауссовский классификатор, структуры из вероятностных классификаторов (байесовские сети), скрытые марковские модели, алгоритм ближайшего соседа (k-nearest neighbour algorithm), искусственные нейронные сети, многослойный персептрон, элементы нечеткой логики.

Теории контроля движений и моторные ИМК

Несколько теорий управления движениями были разработаны для объяснения нейрональных механизмов движений, но они значимы и для совершенствования ИМК.

Классическая схема управления движениями включает набор иерархически организованных областей нервной системы. Согласно этой схеме, корковые структуры находятся на вершине иерархической лестницы. Они управляют самыми сложными движениями, такими как движения пальцев рук. Ствол мозга и спинной мозг контролируют более простые функции: позные автоматизмы и спинномозговые рефлексы [46]. Спинной мозг четвероногих животных обеспечивает ритмические движения ног при ходьбе посредством центрального генератора упорядоченной активности (central pattern generator) [47].

Исторически регуляция движений долгое время описывалась как набор рефлексов. Концепция рефлекторной дуги была предложена Sherrington [46]. В  настоящее время рефлексы признаются, но также подчеркивается роль головного мозга в управлении произвольными (сознательными) движениями. Типичная двигательная активность содержит как произвольные, так и рефлекторные составляющие [48]. Многие ИМК имитируют эти составляющие, предоставляя контроль над высокоуровневыми параметрами (начало и окончание движения и выбор цели) испытуемому и делегируя управление низкоуровневыми задачами (например, поддержанием равновесия) контроллеру робота.

Многие современные теории контроля движений построены на идее о том, что мозг формирует внутреннюю модель тела для организации его двигательной активности. Впервые она была озвучена в концепции Head и Holmes (они предложили термин «схема тела», body scheme), объяснившей, как мозг отслеживает и обновляет информацию о  конфигурации частей тела на основе сигналов от сенсорных рецепторов [49]. Разработчики современных ИМК стремятся создать нейроконтролируемые конечности, которые мозг в конечном итоге включит в схему тела [1]. (Не следует смешивать понятия «схема тела» и «образ тела». Схема тела — это модель, конструируемая мозгом, отражающая структурно-динамическую организацию тела, а образ — осознанное эстетическое и сексуальное восприятие собственного тела.)

От концепции схемы тела исследователи перешли к теории внутренней модели (internal model theory) [50]. Она предлагает вычленять две составляющие: объект управления (например, рука с мышцами и суставами) и контроллер (нейронная сеть, контролирующая движения руки). Контроллер программирует предстоящие положения объекта и предстоящую сенсорную обратную связь, соотносит результат с данными фактической сенсорной обратной связи и при необходимости корректирует активность. Один из возможных способов реализации такой модели описывается гипотезой равновесной точки  [51]. Согласно этой гипотезе, высшие моторные центры устанавливают для объекта управления равновесную точку, а серво-механизмы спинного мозга переносят в нее объект.

«Ручные» ИМК

Движения рук  — моторная основа нашей повседневной жизни. Поэтому многие разработчики ИМК сосредоточены на задаче управления руками. К тому же движения рук имеют более значительную кортикальную компоненту, что удобно для разработчиков — ведь регистрировать сигналы коры головного мозга технически проще, чем сигналы нижележащих структур.

На рис. 1 представлен пример интерфейса, воспроизводящего движения руки. В данном случае это был инвазивный ИМК, с помощью которого обезьяны захватывали появляющиеся в различных местах объекты при помощи роботизированной руки. Для нейродекодирования использовался фильтр Винера.

В другом эксперименте с обезьянами для управления движениями в трёхмерном пространстве использовались стереоскопические очки [33]. Движение руки преобразовывалось в перемещение курсора в трехмерном пространстве. Декодирование первоначально осуществлялось вышеупомянутым методом популяционных векторов. Затем точность системы была значительно повышена за счет применения адаптивного алгоритма, который минимизировал ошибки траекторий. Эта же группа исследователей некоторое время спустя продемонстрировала работу ИМК, при помощи которого обезьяны могли кормить себя, используя роботизированную руку [52]. Подобные технологии с применением роботизированной руки уже применяются для облегчения жизни полностью парализованных пациентов [7, 9].

Также разработаны виртуальные технологии, а именно: пара виртуальных рук, движущихся на экране компьютера, и управляющий ими ИМК [31]. В этих экспериментах несколько сотен электродов регистрируют активность нейронов в обоих полушариях коры, что и позволяет управлять сразу двумя руками.

Функциональная электростимуляция

Робототехнические ИМК необходимы в случае утраты конечностей, но если конечности не утрачены, а только обездвижены, возможно применение функциональной электростимуляции (ФЭС). Эта технология состоит в применении электродных матриц для электрической стимуляции мышц набором импульсов, имитирующих сигналы нервной системы. Мышцы активируются под воздействием стимуляции, и конечности приводятся в движение. Для поверхностной стимуляции мультиэлектродная матрица накладывается на кожу пациента. Такую контактную матрицу можно вшивать в одежду, превращая ее в носимую электронику (перчатки, штаны и т. д.) [53]. Контроль ИМК может осуществляться бета-ритмами ЭЭГ. Например, так воспроизводили движения парализованной кисти [54].

Используя инвазивный нейроинтерфейс, с  помощью ФЭС приводили в движение парализованную руку обезьяны, при этом движения были достаточно точными [40]. При подключении к большему числу мышц и декодировании более сотни нейронов обезьяны с парализованными руками могли самостоятельно осуществлять хватательные движения [55, 56]. Недавно такое управление при помощи инвазивного ИМК было осуществлено парализованным человеком [6].

Согласно экспериментальным данным, часть низкоуровневых функций (например, подстройку позиции конечности в поле внешних сил) можно возложить на локальное самоуправление. В этом случае используют анаплерозные системы обратной связи, например датчики положения [57]. ИМК на основе ФЭС может учитывать особенности контрактильных свойств мышц и даже такой феномен, как локальная мышечная память. Инструментом обратной связи служит зрение [53] или сенсорное замещение, например с использованием вибростимуляции.

ИМК прямохождения

Впервые возможность реконструкции кинематики прямохождения на основе регистрации активности коры головного мозга была подтверждена сотрудниками лаборатории Nicolelis [30]. Схема эксперимента представлена на рис. 2. Обезьян обучили ходить по беговой дорожке. Во время выполнения задачи регистрировали нейронную активность областей сенсомоторной коры, отвечающих за нижние конечности, и записывали на видео движения ног обезьяны. Декодер ИМК был настроен так, чтобы обработанный сигнал соответствовал наблюдаемому движению. Удалось добиться хороших результатов декодирования для хождения как вперед, так и назад.

Вдохновленные этими результатами, Niclolelis и его коллеги основали проект Walk Again Project — международный консорциум, целью которого является разработка экзоскелета, приводимого в движение корой головного мозга [2]. Nicolelis продемонстрировал экзоскелет, управляемый на основе ЭЭГ, на открытии чемпионата мира по футболу в 2014 г. Похожий проект, Mindwalker, появился и в Европе [58]. Кроме того, Contreras Vidal и  его коллеги выдвинули идею разработки экзоскелета для ног, также управляемого на основе медленных ритмов ЭЭГ, и в 2012 г. выполнили декодирование кинематики походки человека, идущего по беговой дорожке [59]. Чрезвычайно практичный экзоскелет для ног «Экзоатлет» был разработан в России [60].

В качестве альтернативы ЭЭГ изучается возможность реактивации центрального генератора управляемой активности. Она была продемонстрирована в опытах на крысах с  рассеченным спинным мозгом, у которых подвижность была восстановлена с помощью эпидуральной электростимуляции и действия серотонинергических агонистов [61].

Нейропластичность, связанная с использованием ИМК

Во многих исследованиях было убедительно показано, что обучение работе с ИМК повышает пластичность головного мозга испытуемого. Было выдвинуто предположение, что за счет этого искусственные конечности со временем могут встраиваться в модель тела и  восприниматься мозгом как собственные [1, 62].

Управление внешними устройствами с помощью ИМК имеет много общего с использованием инструментов. Так, в известном эксперименте по изучению нейропластичности у обезьян, обученных пользоваться граблями для подтягивания удаленных предметов [63], было обнаружено, что нейроны задней теменной коры, реагирующие на предметы в зоне непосредственного доступа руки, стали реагировать на предметы, расположенные в пределах досягаемости граблей. Иными словами, мозг «встроил» грабли в схему тела.

Долговременное использование ИМК может приводить к аналогичным изменениям в мозге. Так, нейроны, участвующие в управлении ИМК, меняют паттерны активности [64]. Также изменяются связи нейронов друг с другом [28, 31], и меняется их чувствительность к направлению движения [29].

Неинвазивные ИМК

Важное требование к ИМК — безопасность. Наиболее безопасны неинвазивные ИМК, т. е. не использующие проникновение в биологические ткани для записи нейронной активности. Было разработано множество неинвазивных ИМК, в первую очередь для управления инвалидными колясками и восстановления коммуникативной функции с помощью речевых синтезаторов [44, 45, 65, 66, 67, 68].

Запись ЭЭГ — наиболее распространенный метод, применяющийся при разработке неинвазивных ИМК. По способу активации мозга метод может быть независимым (эндогенная активация — воображение движения) и зависимым (экзогенная активация — демонстрация движения на экране). В первом случае для управления используются медленные корковые потенциалы, мю- (8–12 Гц), бета- (18–30 Гц) и гамма-ритмы (30–70 Гц) [4]. Эффективность метода может быть повышена применением адаптивных алгоритмов декодирования [69]. Во втором случае фокусировка внимания на внешнем зрительном стимуле приводит к хорошо выраженной реакции зрительной коры в сравнении с реакцией на стимул, оставленный без внимания, и намерения пациента расшифровываются на основе предварительно записанной разности реакций на замеченные и проигнорированные стимулы. Так, при тренировке ИМК, основанного на стационарных индуцированных зрительных потенциалах, регистрируется реакция на периодически появляющиеся стимулы [70]. На экране демонстрируют несколько объектов, каждый из которых появляется и исчезает с собственной частотой. Испытуемый сосредотачивается по очереди на каждом из них. Аналогично можно использовать P300-потенциалы [71].

Существенной проблемой ЭЭГ–ИМК являются артефакты записи ЭЭГ, которые по ошибке могут быть приняты за нейронную активность и даже послужить управляющими сигналами. Зависимые ИМК менее чувствительны к артефактам. Лучшее качество сигнала по сравнению с ЭЭГ, лучшее временное и пространственное разрешение и меньшую чувствительность к артефактам демонстрируют электрокортикографические ИМК, однако они являются инвазивными.

Помимо ЭЭГ используют магнитоэнцефалографию (МЭГ) [72]. Для регистрации слабых магнитных полей, генерируемых мозгом, требуется очень высокая чувствительность метода, которую обеспечивают сверхпроводящие квантовые магнитометры. Вследствие этого регистрация МЭГ требует специальной аппаратуры и условий (в первую очередь, магнитного экранирования), однако МЭГ обеспечивает лучшее временное и  пространственное разрешение, чем ЭЭГ.

Другим методом регистрации активности мозга является отслеживание концентрации оксигемоглобина и деоксигемоглобина в мозговом кровотоке посредством ближней инфракрасной спектроскопии (БИКС) с временным разрешением 100 мс и пространственным разрешением 1 см. Главный недостаток технологии — значительная задержка сигнала, до нескольких секунд. Тем не менее, основанные на ней ИМК набирают популярность [73].

Мощным инструментом отслеживания изменений кровоснабжения в мозге является функциональная магнитно-резонансная томография. Ее временное разрешение ограничено 1–2 с, задержка сигнала составляет несколько секунд, но от всех неинвазивных техник метод отличается непревзойденным пространственным разрешением, позволяющим отслеживать активность любого отдела мозга [73].

Сенсорные ИМК

Сенсорные ИМК могут быть использованы для восстановления слуха, зрения, вкуса, обоняния, тактильной и проприоцептивной чувствительности, чувства равновесия. Нарушения функций органов чувств могут возникать как из-за повреждений периферических отделов нервной системы, вызывающих полную потерю чувств (слепота, глухота), так и из-за повреждений органов обработки сенсорной информации высшего уровня (таламус, мозжечок, подкорковые узлы, кора головного мозга), которые, тем не менее, не приводят к полной потере чувствительности. Интересным примером является «слепозрение» у пациентов с повреждением зрительной коры, которые слепы, но могут воспринимать и обрабатывать зрительные стимулы подсознательно [74].

В настоящее время сенсорные ИМК еще не способны заменять высокоуровневые компоненты сенсорной системы. (Как, например, исправить «слепозрение»?) Современные разработки направлены на исправление низкоуровневых повреждений, связанных с  дисфункцией периферических отделов и  рецепторов. Такие системы заменяют физиологические сенсоры на искусственные, которые подключаются к неповрежденным сенсорным цепям [17, 75, 76]. Передача сигналов от искусственных сенсоров в нервную ткань обычно осуществляется посредством электростимуляции, но в  последнее время стали набирать популярность и оптогенетические методы [77].

Следует также упомянуть сенсорное замещение — метод, при котором поток информации от искусственного сенсора перенаправляется к неповрежденным сенсорам другой части тела или другого органа чувств. При таком сенсорном замещении может производиться переключение с одной сенсорной модальности на другую. Например, искусственное зрение для слепых можно осуществить, подключив сигнал с видеокамеры к тактильной матрице, стимулирующей спину [78].

Слуховые протезы

Кохлеарные имплантаты являются наиболее успешной разработкой из числа сенсорных ИМК [13, 14]. Пациенты с такими имплантатами могут распознавать речь, отличать женские голоса от мужских и даже воспринимать мелодии. Двусторонняя имплантация восстанавливает объемный слух. Имплантат состоит из шести компонентов: (1) внешнего микрофона, (2) звукового процессора, преобразующего сигнал с микрофона в стимулирующую последовательность, (3) передатчика последовательности через кожу, (4) приемника и стимулятора, закрепленного на кости под кожей, (5) кабеля, соединяющего стимулятор и электроды, и (6) массива стимулирующих электродов, имплантированных в ушную улитку.

Сформированная последовательность импульсов передается на неповрежденные участки слухового нерва. Использование нескольких электродов позволяет стимулировать различные участки нерва; число электродов обычно варьируется от 4 до 22. Было предложено несколько различных методов формирования сигнала многоканальной стимуляции. В методе непрерывного перемежающегося отбора сигнал с микрофона преобразовывается в частотный спектр, и интенсивность сигнала в каждой полосе преобразуется в интенсивность стимула. Сжатие широкого динамического диапазона громкости в узкий диапазон стимулов достигается