Косплей для науки: нейроинтерфейс для медицины и виртуальных игр

Хрупкая и похожая на героиню аниме Ольга может часами рассказывать, как работают мозг и нервная сеть. Биолог-эмбриолог по первому образованию, одну из первых научных работ в Высшей школе экономики она посвятила динамике нейрональных процессов: Левицкую интересовало, как нерв прорастает через мышечную ткань.

На четвертом курсе она получила травму: нож полоснул по запястью и перерезал нерв вместе с артерией и сухожилием. «Рука повисла, не двигалась совсем», — вспоминает Левицкая. Кисть могла остаться обездвиженной, и о занятии музыкой (это ее вторая страсть, после биологии) врачи советовали забыть. В медицинской литературе решения Левицкая не нашла. Помог просмотр аниме во время пребывания в больнице: по сюжету его героиня обладала суперспособностью — могла воздействовать током на свой организм.

«Я уронила себе на голову телефон и воскликнула: «Эврика!» Поняла, чем займусь в ближайшие годы», — смеется Левицкая. Она придумала перчатку с системой электродов, которая могла постоянно воздействовать с нужной частотой на мышцы и нервные окончания руки для восстановления мышечной активности и стимуляции роста поврежденного нерва.

Грант от Тихоновой

К работе над перчаткой Левицкая привлекла знакомых инженеров, основала с ними компанию Cyber Myonics и стала ее гендиректором. Прототип собирали вручную и на свои деньги. Надевать перчатку приходилось дольше, чем использовать: на приладку электродов и проводников уходило по три часа.

Восстановительный процесс занял почти три года. Исследование воздействия на мышцы и нервы при этом требовало постоянной финансовой поддержки. После выписки из больницы Левицкая услышала про грантовый конкурс «Эврика»: его проводит МГУ при поддержке фонда «Иннопрактика», курируемого Катериной Тихоновой, которую источники Reuters и Bloomberg называют дочерью Владимира Путина. В 2013-м Левицкая дошла до полуфинала «Эврики», научилась оформлять инновационные проекты для конкурсов, но не получила грант. «Я была совершенно «легкая», заявлялись люди гораздо более компетентные», — говорит она.

3,4 млн человек будут использовать технологии VR в здравоохранении в 2025 году
$5,8 млн от инвесторов привлек в декабре 2016-го производитель VR-костюмов AxonVR
Источник: Crunchbase, Goldman Sachs, Tech in Asia, Healthcare.gov

За следующие полгода команда Ольги Левицкой усовершенствовала прототип. Вторая версия перчатки не просто стимулировала мышцы и нервы, но позволяла снимать движения с одного человека, расшифровывать на специальном устройстве — миографе и передавать считанные импульсы на другого, то есть воспроизводить движения на чужой руке. По словам Левицкой, так она за 21 день научилась играть на контрабасе рукой, которой почти ничего не чувствовала. Но жюри «Эврики» не впечатлила презентация: «очередную перчатку» сочли не уникальной.

Повторная неудача в получении гранта заставила придумать более амбициозный концепт — костюм для виртуальной реальности. Потенциальный спектр его использования шире — от фитнеса до подготовки космонавтов к перегрузкам во время полетов. В создании прототипа помогла та же команда инженеров. Результат не заставил себя ждать: в конце 2015 года Левицкая получила первый грант «Умник» на 400 тыс. руб. от Фонда Бортника.

«Этого хватало только на то, чтобы иногда заниматься наукой как хобби», — признается Ольга. За следующие два года выиграла еще четыре «Умника», несколько хакатонов, грант Microsoft Azure for Research (бесплатные облачные решения для больших данных) и «Эврику» (2 млн руб.). В общей сложности Левицкая собрала не менее 4 млн руб. Она также вложила в проект собственные накопления, объем которых не раскрывает.

Постепенно к проекту присоединились около 30 специалистов — от врачей-нейрофизиологов до экспертов по компьютерной графике. «Я в каждой бочке затычка, — смеется Левицкая, — бегаю по всем мероприятиям и зову всех людей с идеями к себе работать».

Бег на месте

Несмотря на космический вид костюма, Левицкая настаивает, что все элементы в нем (кроме юбки) имеют функциональное назначение. Он состоит из перчаток на кисти рук, длинной перчатки от запальцевой области до плеча, боди и чулок — в женском варианте или майки и штанов — в мужском. Бирюзовые полосы также технический элемент — в них проложена проводка. Свечение обеспечивает оптоволоконный кабель, который передает информацию в центральный модуль на груди. Связь костюма с компьютером — через Bluetooth или USB-провод, он же дает костюму питание и позволяет обмениваться данными с VR-игрой.

Технология позволяет за счет стимуляции мышц «отражать» движение человека, объясняет Ольга: сделав небольшой взмах рукой, он видит в виртуальной реальности гораздо более сильное движение и ощущает телом именно его. Минут за 20 пользователь привыкает, что для движения нужно прилагать совсем не большие усилия. В итоге человек может вообще оставаться на месте, но чувствовать при этом, что бегает или прыгает.

Это важно для погружения в виртуальную реальность — ощущения создаются за счет воздействия на нервы, кожные рецепторы и мышцы через электроды, закрепленные в костюме. «Мы передаем в них информацию, которую мозг посылает из сенсорно-моторной коры, для того чтобы тело переместить с места на место», — говорит Левицкая. Карбоновый костюм, внешне похожий на наряд для фетиш-вечеринки, становится подобен внешней нервной системе человека.

В нейробиологии с помощью устройства можно «обмануть» мозг человека, погрузив его в необходимое для терапии сознание, отмечает изобретательница. Внешними нейроинтерфейсами занимаются исследователи в ведущих университетах мира. У российских разработчиков преимущество: здесь киберкостюмы можно тестировать на людях, а в США получить согласие регуляторов непросто.

Игрушка от инсульта

Корреспондента журнала РБК Ольга Левицкая встречает в VR-лаборатории в новом здании медицинского факультета МГУ на Ломоносовском проспекте. С ней здесь трудятся инженер и программист, который прямо во время интервью «допиливает» дизайн VR-игры.

До вывода костюма на рынок еще далеко. Производство каждого обходится примерно в 800 тыс. руб. Всего было четыре модели: MD (медицинская), PS (профессиональное обучение), CC (cyber creation, обмен навыками) и VR (виртуальная реальность). Пока не выяснены и возможные побочные эффекты от использования. «Вызывает привыкание, способствует снижению веса сверх нормы, делает сознание более молодым по детскому типу и провоцирует на необдуманные подвиги», — со смехом перечисляет Левицкая уже выявленные побочные эффекты, уверяя, что ношение костюма помогло ей похудеть на 30 кг за 60 дней.

Ольга признается: до «рыночного» состояния доведена только перчатка, она и должна стать первым коммерческим продуктом от команды исследователей. Перчатка #GLove также все еще штучный товар, ее собирают в той же лаборатории с использованием заводских компонентов. Всего устройств несколько десятков, шесть из них планируется использовать на пациентах. Левицкая уже проводила эксперимент с Научным центром неврологии: там есть аппаратура, способная наблюдать динамику пациентов и оценивать эффективность процесса восстановления. Готовый продукт должен сочетать в себе перчатку и компьютерную программу, которыми пациент сможет пользоваться дома, а врач будет его удаленно контролировать.

На одном из форумов Агентства стратегических инициатив Левицкая познакомилась с нейрофизиологом Яной Староверовой. Теперь Староверова разрабатывает программу реабилитации пациентов, перенесших инсульт, для эксперимента с перчаткой в Центре патологии речи и нейрореабилитации (ЦПРиН). Ее профиль — восстановление пациентов с неврологическими заболеваниями.

Практики из неврологии стоит активнее применять и с пациентами, перенесшими инсульт, считает Староверова. Речь в первую очередь о методе биологической обратной связи (БОС), применяемом в неврологии с 1970-х годов. БОС «обучает» человека физиологическим механизмам, которые можно контролировать в режиме реального времени — мозговые ритмы, показатели дыхания и сердцебиения.

Для помощи пациентам в восстановлении от инсульта Староверова предложила Левицкой совместить БОС с методом электростимуляции. Современные реабилитационные аппараты слишком громоздки и дорогостоящи для лечения на дому, и перчатка может стать идеальным решением. Электростимуляция — это первый этап реабилитации, когда конечность практически обездвижена. Она передает сигнал от мышц к мозгу, активируя те нейронные сети, что работали, когда рука была здоровой. Когда появляется минимальное движение, которое возможно считывать с помощью миографа, подключается БОС. После этого пациент начинает укреплять и наращивать новые сети взамен поврежденных.

Игровые механики особенно эффективны в случае с людьми, перенесшими инсульт: как правило, он поражает весь мозг, что существенно влияет на возможность реабилитации, объясняет Староверова. У таких пациентов часто снижена мотивация: перекладывание кубиков кажется скучным, а с помощью компьютерной игры есть шанс их заинтересовать. Например, человек должен напрягать мышцы, будто хочет поднять руку, а Марио на экране подпрыгивает на высоту, соответствующую силе сигнала.

Результаты тестов в ЦПРиНе лягут в основу документации для получения сертификатов медицинского изделия. В самом центре эксперимент комментировать отказались, пока перчатку не начали тестировать. Представитель центра в разговоре с журналом РБК отметил, что на предложение Левицкой о проведении эксперимента медики откликнулись «с радостью»: подобного оборудования у них нет, а любые иностранные аналоги стоят в разы дороже разработки российских ученых.

$34 млрд в год составляют расходы бюджета США на уход за людьми, перенесшими инсульт
$85 в месяц стоит аренда «умной» перчатки Rapael от корейской компании Neofect, помогающей в восстановлении после инсульта
Источник: Goldman Sachs, Crunchbase, Tech in Asia, Healthcare.gov

Ольга Левицкая уверена, что серьезных конкурентов в России у нее нет. На Западе много занимаются реабилитацией, но в большинстве случаев речь идет о механическом, а не нейрофизиологическом воздействии. Например, американская DJO Global производит приборы Artromot для разработки кистевого или коленного суставов (устройство стоит 150–300 тыс. руб.). Среди продуктов швейцарской Hocoma — нейронные датчики Valedo, которые крепятся на спину и грудь и позволяют пациенту выполнять упражнения с помощью компьютерной игры. На устройство Левицкой похожа разработка гонконгской Rehab-Robotics, которая сочетает механическое воздействие со считыванием обратной связи и выведением результата на компьютер в игровой форме.

Амбиции масштаба Google

Левицкая верит, что сможет за два года поставить производство перчаток на поток и вывести проект на самоокупаемость. Перчатка для индивидуального использования будет стоить порядка 80 тыс. руб., предполагает она. Но конкуренты уже есть.

Один из них — создатель механической перчатки «Реабот» Сергей Кривошеев. Его разработка также ориентирована на людей, перенесших инсульт: в России с этим недугом сталкиваются 400 тыс. человек в год. Перчатка может использоваться и с другими травмами, нарушающими мелкую моторику. По оценке Кривошеева, в 2016 году российский рынок устройств для реабилитации составил около 4 млн руб., а глобальный — $4,8 млрд.

Сергей Кривошеев работает над проектом с весны 2015 года: его перчатка заставляет пальцы пациента выполнять монотонные движения, постепенно увеличивая нагрузку. Занятия позволяют сохранять подвижность суставов и эластичность мышц на этапе полной обездвиженности и способны постепенно восстановить деятельность кисти в полном объеме. «Реабот» также находится на этапе прототипа, до клинических испытаний дело не дошло. «Перед нами стоит вопрос позиционирования: либо это медицинское устройство, либо тренажер. От этого зависит, как сертифицировать разработку», — объясняет Кривошеев.

Ольга Левицкая утверждает, что отказалась уже от 15 предложений инвесторов и фондов, которые предлагали вложиться в Cyber Myonics. «Инвестиционные деньги очень дорогие, а наш проект — это не только ценный продукт, но еще и 4 т большой и тяжелой науки», — шутит биолог. Не хочется брать кредит под 800% и потом заниматься только удовлетворением интересов инвестора, объясняет она. «Если и продаваться, то только Alphabet [холдинговой компании, которой принадлежит Google]», — с улыбкой завершает Левицкая.

Автор: Алена Сухаревская.
Оригинал на РБК