Нейроинженерия и нейротехнологии

А. С. Брюховецкий

Монография обобщает достижения и перспективы развития нейроинженерии. Описано открытие микроволновой активности головного мозга. Предложены алгоритмы создания инновационной микроволновой электроэнцефалографии, микроволнового интерфейса между головным мозгом и компьютером, гиперзвуковой биоинженерии под контролем МРТ и капитумморфного суперкомпьютера на основе устройства головы человека.Книга предназначена для ученых, врачей и для широкого круга читателей, интересующихся проблемой.

Вместо предисловия

(рецензия д. м. н., проф. А. Г. Жиляева)

⠀

Последнее десятилетие XX в. было объявлено мировым научным сообществом и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) «декадой головного мозга человека». Эти 10 лет в ушедшем в историю XX в. позволили очень системно и основательно организовать в разных странах мира огромное количество мультицентровых фундаментальных научных и клинических исследований головного мозга человека, стали отправной точкой создания и запуска огромного числа глобальных международных научных нейропроектов в самых разных странах мира. Эти научные исследования были направлены на глубокое и системное изучение работы и функционирования головного мозга человека и понимание информационных и кибернетических принципов его деятельности. Эта работа нейроученых из разных стран и континентов за последнее десятилетие прошлого века принесла колоссальные фундаментальные наработки и результаты и появление живого интереса молодых ученых к нейронаукам по всему миру. Были сделаны удивительные обобщения и умозаключения различных нейроученых о потенциале и информационных возможностях мозга человека и животных. Было показано, что понимание устройства головного мозга может дать научный прорыв в наших научных представлениях о мозге и о человеке в целом. «Понимание человеческого мозга является одной из величайших задач, стоящих перед наукой XXI в. Если мы сможем ответить на этот вызов, то мы можем получить фундаментальное понимание того, что значит быть человеком, разработать новые методы лечения заболеваний головного мозга и построить революционную методологию новых информационных и коммуникационных технологий» (проект The Human Brain Project, 2012).

Читая эти великие мысли европейских ученых, становится понятно, что наши знания о работе столь сложного органа человека, как его мозг, очень поверхностны и значительно устарели. Эти вызовы научному сообществу являются вызовами всему человечеству, и они требуют немедленной реакции на них и осознания глубины и сложности стоящих проблем. Врачи-неврологи и психиатры в настоящее время практически неспособны излечить ни одно из серьезных органических заболеваний и повреждений головного мозга у человека.

Повреждение спинного мозга является практически неразрешимой проблемой для всех неврологических школ в мире. Успехи в современной нейрохирургии, нейрореанимации и нейрореабилитации в спасении жизней людей при целом ряде ранее смертельных нервных болезней и недугов (тяжелая травма мозга, энцефалит, миелит, геморрагический и ишемический инсульты, аневризмы магистральных сосудов головного мозга и т.д.) обернулись армией тяжелых инвалидов с органическим дефектом головного мозга, которым физически невозможно помочь современными методами специализированной и высокотехнологичной неврологической помощи.

Резкое постарение населения в США и Европе привело к увеличению количества больных со слабоумием и болезнью Альцгеймера, число которых может вскоре утроиться — от 4,7 млн в 2012 г. к 13,8 млн к 2050 г. К 2050 г. каждый из 85 человек во всем мире будет страдать болезнью Альцгеймера (Институт здорового старения, США, 2012).

За последние 100 лет количественные показатели эффективности лечения неврологических и психических заболеваний во всем мире практически не изменились, однако расходы на лечение нервных болезней выросли в 200 раз. Согласно отчету Еврокомиссии, расходы на лечение нервных болезней только в странах Евросоюза составляют 80 млрд евро в год (Human Brain Project, 2012).

О необходимости срочного изучения устройства головного мозга и понимания механизмов его функционирования заговорили президенты мировых держав и руководство государственных союзов (Евросоюз, Евразийский союз и т.д.). Нейроученые всего мира признали недостаточность наших фундаментальных знаний о мозге и отсутствие соответствующей теории мозга. Они показали, что реального лечения нервных болезней и травмы мозга во всем мире пока нет и поиск инновационных решений и новых методологических подходов в виде нейроинженерии (neuroengineering) в восстановлении функций мозга во всех странах мира считается одним из самых перспективных и приоритетных направлений мировых исследований и крайне актуален как для военного, так и для гражданского здравоохранения.

Все это привело к тому, что уже в 2008 г. в Швейцарии стартовал один из первых европейских нейропроектов — Blue Brain Project. В 2009 г. был запущен нейропроект SyNAPSE Project по изучению межклеточных синаптических контактов в головном мозге, а уже в 2010 г. в США был открыт Connectomе Project по исследованию существующих связей в головном и спинном мозге. 2011 год ознаменовался запуском уникального проекта по созданию искусственной модели мозга — Spaun. В этом же году Еврокомиссия предложила нейроученым Евросоюза создать свой проект изучения и исследования мозга, и уже в 2012 г. такой мегапроект с финансированием в 1,2 млрд евро был запущен под названием Human Brain Project. В рамках этого проекта были задействованы 300 ведущих специалистов-неврологов, нейроученых и специалистов в области компьютерных технологий и вычислительной техники, 80 научных институтов и специализированных научных учреждений Европы и за ее пределами. Ученые предложили использовать современные компьютерные модели и симуляторы, чтобы сконструировать виртуальный мозг и создать новые лекарственные средства.

США отреагировали на подобный проект собственной научной инициативой стоимостью 3 млрд долл. США и назвали свой проект Brain Initiation Project. В американской инициативе впервые в мире были сформулированы термины и базовые сущности понимания современных нейротехнологий и определены приоритеты работы в области создания интерфейса между мозгом человека и компьютером. В 2013 г. был открыт новый Project BigBrain. Этот проект стал основой интеграции и объединения ученых-нейроанатомов и специалистов IT, которые пытаются понять на основе микронейроанатомических срезов нервной ткани сущность устройства мозга.

Китай запустил в 2015 г. свой проект исследования мозга стоимостью, эквивалентной 10 млрд долл. США, а Япония выделила на подобные научные исследования финансирование, эквивалентное 5 млрд долл. США. В итоге только за десятилетие с 2011 по 2021 г. в нейроисследования инвестирования финансовых средств эквивалентны более чем 15 млрд американских долларов. Ничего подобного ранее в медицине не происходило никогда.

За два десятилетия XXI в. такие современные науки о мозге, как неврология, нейрохирургия, психиатрия, нейропсихология, нейрофизиология, нейроанатомия и другие, объединились в единый конгломерат с современными инженерными дисциплинами и информационными технологиями и стали развиваться столь стремительно и наукоемко, что вышли на передний край всей мировой науки под флагом нейроинженерии и нейротехнологий.

Сегодня сами термины «нейроинженерия» и «нейротехнологии» никого не удивляют и не восхищают. Университеты США готовят дипломированных нейроинженеров, а нейротехнологии отнесены к критическим и двойным технологиям развитых государств мира. Гонка вооружения высокоразвитых государств XX в. сменилась гонкой технологий XXI в., где на первом месте стоят именно нейротехнологии. СМИ растиражировали достижения нейроученых всего мира и особенно пионерские исследования Оборонного агентства США (DARPA) по созданию интерфейсов между мозгом человека и компьютером (нейроинтерфейс).

Сегодня мы ждем от нейроинженерии реальных результатов биотехнологий по созданию «умного дома» для инвалидов; инвалидной коляски, «управляемой силой мысли»; нейропротезов конечностей, управляемых имплантируемыми «нейроинтерфейсами между компьютером и периферическими нервами». Соединение «живого» и «неживого» компонентов нервной ткани головного и спинного мозга человека для создания новых функций поврежденного мозга стало фундаментальной основой этих новых нейроподходов и создаваемых технологий.

Большой интерес современной отечественной науки к вопросам нейроинженерии и нейротехнологий подтверждается тем, что в России с 2015 г. осуществляется большой комплекс проектов под общим названием «Нейронет», представляющий собой национальную технологическую инициативу, в рамках которой предусматривается опережающее развитие фундаментальных и прикладных аспектов нейронаук и нейроинженерных технологий.

Рецензируемая книга очень аккуратно и деликатно вводит читателя в инновационную область современных нейронаук: нейроинженерию и нейротехнологии. Авторы очень критически анализируют состояние проблемы нейроинженерии и нейротехнологий в мире и излагают собственные данные и исследования, которыми они занимаются уже около 30 лет. Многие вещи для меня, человека, который более 30 лет занимается нейронауками, были откровением и вызвали живой интерес. Книга читается легко и просто, излагает очень сложные проблемы современных нейронаук простым и доступным языком. «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает».

Несомненно, в монографии есть ряд очень сложных и дискуссионных вопросов, которые требуют, на мой взгляд эксперта, более детального обсуждения и иллюстраций. Так, например, мне кажется, что нужно представить более подробные данные по функциональным возможностям микроволновой энцефалографии. Хотелось бы увидеть первые опытно-конструкторские образцы этого интересного медицинского оборудования. Крайне важно, что авторы книги представили свою перспективу развития нейроинженерии и нейротехнологий на ближайшее время и на перспективу.

Благодарю авторов за созидательный научный труд и преданность своему делу в отечественных нейронауках. Признателен авторам за очень доступное и понятное написание этой научной книги, которая смогла систематизировать достаточно разрозненные знания и достижения в области нейроинженерии и нейротехнологий по всему миру и показать надежды человечества в этой области.

Надеемся, что молодым нейроученым и клиницистам будет очень интересно ознакомиться с отечественной историей становления нейроинженерии и этапами создания национальных нейротехнологий. Пожелаем доброго пути этой книге и много умных читателей и научных последователей.