Знали ли вы, что почесаться или щелкнуть пальцами — достаточно непростая задача. Головной мозг посылает электрический сигнал по спинному мозгу, который проходит по нервам до мышц руки и заставляет их сократиться. Разного рода рецепторы следят за движением и отправляют обратно в головной мозг информацию о ходе процесса, чтобы его можно было оперативно скорректировать. Мы не замечаем всей сложности происходящего только потому, что специально устроены так, чтобы ее не замечать. Практичная эволюция не стала вмешивать сознание в столь хорошо отлаженную систему.
Но некоторые заболевания и травмы нарушают связь головного мозга с мышцами. Одно из самых тяжелых последствий — полный паралич всех четырех конечностей или квадриплегия. Можно ли заменить естественные линии связи искусственными? По своей природе нервный импульс — это всплеск электрического поля, которое можно считывать, расшифровывать и передавать на любое устройство, от ноутбука до протеза руки. Системы такого рода называются интерфейсами «мозг-компьютер» (BCI). Сегодня в мире работают над разными подходами к решению этой проблемы. Например, можно снимать электрические сигналы с поверхности головы, как при обычной электроэнцефалограмме. Это самый безопасный метод, ведь он не требует хирургического вмешательства. Но и качество связи в этом случае оставляет желать лучшего. Присоски ЭЭГ воспринимают суммарный сигнал обширных областей мозга, делая его похожим на гул толпы, в котором голос моторных (двигательных) зон коры теряет разборчивость. Подобные интерфейсы могут передавать простые команды вроде «запустить мотор инвалидной коляски», но с их помощью очень трудно координировать сложные и точные движения. Еще один вариант — считывание сигналов с мышц, сохранивших подвижность. Подобным устройством пользовался покойный ученый Стивен Хокинг, написавший свои поздние книги движением щеки. Но и такие системы далеко не идеальны в плане управления. Наконец, можно вживить электроды прямо в мозг, что позволит снимать сигнал даже с отдельных нейронов. К тому же эти нейроны можно тщательно выбирать, чтобы человеку не пришлось учиться делать щекой то, что он раньше делал рукой. Этим путем и идут исследователи из Neuralink, хотя они отнюдь не являются первопроходцами в этой сфере.
История появления мозговых имплантатов
Вживление медицинских устройств в мозг человека имеет давнюю историю. Еще в 1987 году первый пациент получил имплантат для борьбы с болезнью Паркинсона. На 2019 год такое лечение проходило более 150 тысяч пациентов во всем мире. Однако имплантаты, призванные победить болезнь Паркинсона, всего лишь регулярно стимулировали определенную зону мозга. Их можно сравнить с кардиостимуляторами, а вот интерфейсы «мозг-компьютер» устроены гораздо сложнее, поэтому о них заговорили лишь десятилетие спустя.
В 1998 году первый пациент уже отдавал простейшие мысленные команды через вживленные электроды. В 2006 году другой парализованный человек управлял телевизором и открывал имитацию электронной почты, причем даже во время разговора. И сегодня исследователи не останавливаются на управлении компьютерами. Еще одно направление — киберпротезы для людей, потерявших конечности. В качестве примера можно упомянуть модульный протез конечности (Modular Prosthetic Limbs), разработанный в Университете Джонса Хопкинса. Он управляется электрическими сигналами не только от вживленных в мозг электродов, но и от нервов и мышц руки выше точки ампутации. Разнообразие сигналов позволяет координировать довольно сложные движения. Пациент даже ощущает прикосновение к искусственным пальцам, а встроенные датчики давления отправляют сигнал прямо в мозг.
Но при том, что разработка интерфейсов «мозг-компьютер» ведется уже почти 30 лет, они все еще остаются экспериментальными. У этой технологии еще очень много нерешенных проблем. Хоть мозг и «говорит» с конечностями электрическими сигналами, но совсем иначе, нежели компьютер. Это не просто два разных языка, это разные принципы передачи информации. Нет и не может быть четкого словаря, переводящего язык мозга в команды компьютерного кода. Конечно, мозг может приспособиться управлять протезом или курсором, но обычно это требует регулярной и изнуряюще долгой настройки устройства под присмотром специалистов. Кроме того, соединение устройства с мозгом ухудшается со временем. Нейроны, контактирующие с электродами, либо погибают, либо оттесняются разрастанием вспомогательных клеток. Наконец, операция может вызвать осложнения. Организм не делит инородные тела на хорошие и плохие и пытается отторгнуть имплантат, как какую-нибудь занозу. При том что Neuralink уже тестирует свои имплантаты на людях, нельзя предположить, что в компании трудятся лучшие специалисты, чем в десятках других лабораторий по всему миру, занимающихся той же проблемой. Поэтому трудно предположить, что компания уже создала коммерческий продукт, когда другие даже близко к этому не подступились. Но в готовности искать решение и экспериментировать Маску не откажешь.
Перспективы рынка мозговых имплантов
Сегодня рынок мозговых имплантов демонстрирует стремительный рост, обусловленный увеличением распространенности неврологических заболеваний (болезни Паркинсона, Альцгеймера, эпилепсии) и технологическими прорывами. Так, например, объем рынка мозговых имплантатов оценивается в 7,35 млрд. долларов в 2024 году и, как ожидается, достигнет 12,2 млрд. долларов к 2029 году, а среднегодовой темп роста составит 10,67% в течение прогнозируемого периода. Ожидается, что рынок будет развиваться благодаря внедрению таких технологий, как безопасные для МРТ мозговые имплантаты. Кроме того, компьютерные интерфейсы мозга (BCIs), микроэлектродные массивы и протезы двигательных нейронов способствуют повышению мобильности пациентов. Например, интеллектуальные нейронные микрочипы обеспечивают беспроводную передачу сигналов мозга в руки и пальцы с точностью около 95%.
В зависимости от типа, рынок мозговых имплантатов подразделяется на глубокие стимуляторы мозга, стимуляторы спинного мозга и стимуляторы блуждающего нерва. Среди различных типов мозговых имплантов сегмент глубоких стимуляторов мозга (Deep Brain Stimulators, DBS) занимает лидирующую позицию. В 2022 году выручка на нем превысила 1 млрд. долларов, и ожидается значительный рост до более чем 4 млрд. долларов к 2032 году. DBS эффективно применяются для лечения широкого спектра неврологических расстройств, включая болезнь Паркинсона, эпилепсию, обсессивно-компульсивное расстройство, треморы, дистонии и т.д.
Применение мозговых имплантов для лечения хронической боли, по прогнозам, будет в ближайшие годы формировать этот сегмент медицинских устройств. К 2032 году его объем превысит 6 млрд. долларов. Это связано с ростом числа пациентов с хроническими болями и необходимостью разработки эффективных долгосрочных решений. Мозговые имплантаты для лечения хронической боли в основном используются при специфических заболеваниях, имеющих нейропатические компоненты, таких как комплексный региональный болевой синдром (CRPS) или фантомная боль в конечностях. Эти заболевания связаны с изменением путей распространения сигналов по цепям нейронов или с повреждением нервов, что делает мозговые имплантаты самым подходящим вариантом для модуляции нейронной активности и снижения болевых ощущений.
Вышеупомянутые интерфейсы «мозг-компьютер» также можно выделить как перспективное направление. Последние два десятилетия идут активные эксперименты по соединению между собой вычислительных машин и нервной системы человека. Но пока они носят единичный характер. Например, одному из пионеров этого направления, доктору Филу Кеннеди пришлось в июне 2014 года самому ложиться на операционный стол, чтобы получить данные для своей работы. В стремлении разработать декодер речи, способный переводить сигналы нейронов в слова, Кеннеди столкнулся с трудностями в поиске испытуемых и получении финансирования. В итоге он принял решение вживить электроды в собственный мозг, чтобы продолжить исследования.
В области таких интерфейсов швейцарские исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совершили в середине 2024 года прорыв, разработав миниатюрный чип MiBMI. Этот чип площадью 8 мм2 способен считывать активность мозга и преобразовывать ее в текст с высокой точностью и низким энергопотреблением. MiBMI отличается от других BMI, таких как устройство N1 от Neuralink, своей компактностью, минимальной инвазивностью и способностью обрабатывать данные в режиме реального времени. Ключевым элементом MiBMI является новый способ считывания сигналов мозга, связанных с обработкой языка. Исследователи из EPFL обнаружили специфические нейронные маркеры, называемые отличительными нейронными кодами (DNC), которые срабатывают при представлении каждой буквы. Это позволяет чипу обрабатывать только эти маркеры, что значительно снижает объем данных и энергопотребление. И хотя MiBMI еще не был протестирован на людях, он показал высокую точность в преобразовании нейронной активности в текст при подаче нейронных записей, собранных в ходе предыдущих испытаний. Исследователи считают, что со временем чип сможет расшифровывать до 100 различных символов, что откроет широкие перспективы для его применения в области коммуникации для людей с тяжелыми двигательными нарушениями.
А вот компания Neuralink, основанная Илоном Маском, достигла важной вехи, успешно имплантировав свой первый чип в мозг человека. Это событие произошло после получения одобрения FDA и преодоления критики, связанной с обращением с животными в ходе исследований. Первый пациент Neuralink страдает квадриплегией из-за травмы спинного мозга, и имплантат N1 открыл для него возможность управлять компьютерами и устройствами непосредственно своим сознанием. В будущем технология Neuralink может быть использована для управления электрическими инвалидными креслами, роботизированными протезами конечностей, восстановления зрения и даже расширения возможностей человеческого мозга. Хотя Neuralink отстает от некоторых конкурентов, таких как Blackrock Neurotech и Synchron, в области имплантации чипов в мозг человека, компания обладает значительным потенциалом благодаря способности Маска привлекать капитал.
Стоит отметить, что рынок мозговых имплантов находится на пороге значительных изменений, обусловленных технологическими прорывами и растущей потребностью в эффективных методах лечения неврологических заболеваний. И такие компании, как Abbott Laboratories, Boston Scientific, Medtronic, Neurowave Medical Technologies, EPFL, Neuralink, Blackrock Neurotech, LivaNova, NDI Medical, NeuroPace, NeuroSigma, Renishaw, Xinzhida Neurotechnology и Synchron, играют ключевую роль в развитии этой области.
Все ли так хорошо?
В 2020 году журнал Nature Medicine выпустил материал про жительницу Австралии Риту Леггетт, которой установили экспериментальный мозговой имплантат для лечения эпилепсии. Имплантированное в рамках клинических испытаний устройство сработало и у Риты прекратились судороги. Однако в середине испытаний компания NeuroVista, создавшая устройство, закрылась. Причиной стало недоверие инвесторов к самой технологии. Поскольку компания закрылась, никто не отслеживал работу устройства. В голове Риты Леггетт находился буквально микрокомпьютер с работающей батареей, которой бы хватило еще на 3 года. Муж Риты предложил купить устройство у NeuroVista, но получил отказ из-за особенных компонентов имплантата. Единственным выходом из ситуации было удаление устройства, что означало бы прекращение лечения.
Так что никакие прогнозы о росте рынка мозговых имплантатов не гарантируют, что компании, производящие эту продукцию, останутся на плаву. И NeuroVista не единственная компания, которая закрыла свои двери для клиентов. Например, в 2019 году компания Autonomic Technologies (ATI) прекратила деятельность после успешных плацебо-контролируемых испытаний стимулятора, который лечит кластерные головные боли. Компания закрылась из-за мошенничества со стороны регулирующих органов, но результат для более чем 700 человек, использовавших устройство, был один. Люди не смогли получить доступ к программному обеспечению, необходимому для его калибровки и поддержания эффективности имплантата. К счастью, Unity HA приобрела интеллектуальную собственность ATI и в 2022 году получила от FDA статус «прорывного устройства».
Производитель стимулятора спинного мозга для лечения хронических болей Nuvectra подал заявление о банкротстве в 2019 году. В том же году компания по производству имплантатов для искусственного зрения Second Sight начала терять деньги и посоветовала производителям прекратить производство имплантатов сетчатки, чтобы сосредоточиться на мозговых имплантатах, восстанавливающих зрение. В начале 2020 года генеральный директор и директор по исследованиям и разработкам внезапно уволились, большинство сотрудников было уволено, а компания начала продавать свои материальные активы с аукциона, в результате чего около 350 человек, оснащенных имплантатами Second Sight, могли оказаться в ситуации Риты Леггетт. Но вскоре после этого инцидента компания объединилась с Nano Precision Medicine. А в середине 2020 года другой производитель стимуляторов спинного мозга Stimware, отозвал все свои устройства и в 2022 году подал заявление о банкротстве.
Когда подобные компании закрываются, имплантаты обычно остаются на месте. В большинстве случаев эксплантация считается слишком дорогой, слишком рискованной или просто ненужной. А люди с неврологическими заболеваниями откатываются в своем состоянии, хоть и с дополнительным бесполезным оборудованием. Если повезет, клиенты смогут найти устройство на замену, но это маловероятно. Согласно статье, опубликованной в журнале Nature в 2022 году, замена устаревших имплантатов, таких как стимулятор спинного мозга Nuvectra, требует хирургического вмешательства, восстановление после которого занимает несколько недель. Кроме того, это дорого. Операция и замена устройства обойдутся примерно в 40 тысяч долларов. И это при условии, что имплантат на замену уже был приобретен.
Кроме того, мозговые имплантаты, считающиеся передовыми сегодня, уже завтра могут устареть. Эти устройства обладают сроком годности, после которого их работа невозможна без постоянного обслуживания и поддержки. Сейчас же нереально найти комментарий эксперта о том, повредит ли удаление Neuralink или другого мозгового имплантата мозг человека или нет. Все разработчики пока оперируют лишь предположениями. Но если установка такого устройства, как Neuralink, несет в себе риск повреждения ткани мозга, логично предположить, что его удаление тоже несет в себе риски.
Что нас ожидает в будущем?
Рынок мозговых имплантов, включая устройства для глубокой стимуляции мозга и интерфейсы «мозг-компьютер», демонстрирует особенно бурный рост благодаря технологическим прорывам и растущей потребности в лечении неврологических заболеваний. К тому же интеграция искусственного интеллекта и аналитики данных в имплантируемые устройства открывает новые возможности для персонализированной медицины и улучшения диагностики и лечения различных заболеваний. Безусловно, часть компаний уйдет с рынка, часть стартапов закроется и неизбежно будут люди, которые от этого пострадают. Но это совсем не означает, что рынок мозговых имплантатов прекратит развиваться. А пока эта технология находится на этапе, который проходят все без исключения технологии, пытающиеся выйти за пределы лабораторий.
Статья подготовлена по материалам сайтов forbes.ru, habr.com, databridgemarketresearch.com и других сетевых источников
