II INTERNATIONAL RESEARCH AND PRACTICE CONFERENCE “BRAIN-MACHINE INTERFACE: SCIENCE AND PRACTICE. SAMARA - 2016”: NEW ORGANIZATIONAL APPROACHES IN NEUROSCIENCES, RESULTS OF FUNDAMENTAL AND APPLIED RESEARCHES, FORMATION OF RUSSIAN AND INTERNATIONAL RESEARCH GROUPS

Full Text

■ ВВЕДЕНИЕ Как же сознание прикрепляется к телу? На этот вопрос Аристотеля в разные времена и в разных странах просвещенное человечество искало ответ в широчайшем диапазоне - от рутинных практик до самых смелых экспериментов и с сознанием, и с телом. Современная фундаментальная медицина и биология стремятся обобщить и при этом углубить, конкретизировать знания о структуре, функциях и возможностях центральной и периферической нервной системы, а в плане прикладных направлений - с использованием достижений в других областях (прикладная математика, информационные технологии, микро-, нано-, гибкая электроника, кибернетика) - повысить эффективность реабилитации лиц с нарушениями функций движения, речи, другими когнитивными расстройствами. Объем накопленных и увеличивающихся в последние годы в геометрической прогрессии знаний в области работы мозга делает необходимым систематизацию и критический анализ огромного массива данных, а также обмен сформированными компетенциями в различных областях (от нейрофизиологии и биологии в клиническую практику с использованием достижений физико-математических и инженерных наук). Процесс глобализации научно-технического прогресса в данной сфере уже вовлек в диалог как сформированные, так и развивающиеся научные школы, компании, являющиеся разработчиками высокотехнологичного оборудования и программного обеспечения, производственные организации вплоть до целых кластеров и холдингов, промышленные ассоциации и инновационные центры развития регионального и федерального уровней. Он привел к созданию в рамках Национальной технологической инициативы отдельного направления NeuroNet, повлиял на ориентацию программ развития отдельных министерств и ведомств и, что особенно важно, сформировал новые пути для развития медицинской науки и модернизации системы здравоохранения, повышения доступности и качества медицинской помощи в сфере реабилитации. Очевидно, что все обозначенные научнопрактические и организационно-экономические вопросы требуют профессионального обсуждения и координации усилий всех участников процесса. ■ II МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНОПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНЫЙ ИНТЕРФЕЙС: НАУКА И ПРАКТИКА Такой коммуникативной площадкой стала II Международная научно-практическая конференция «Нейрокомпьютерный интерфейс: наука и практика. Самара - 2016», прошедшая 13-14 октября 2016 г. в Самарском государственном медицинском университете (СамГМУ). Прошлогоднюю конференцию можно считать успешным началом обсуждения соответствую- щего спектра проблем: мероприятие посетило более 100 участников, было представлено в общей сложности 12 докладов, включая выступления зарубежных коллег, представленные материалы вызвали живой интерес аудитории, было решено сделать конференцию ежегодной и расширить географию и состав участников. Конференция этого года объединила уже более 300 участников. Среди них - представители Ассоциации организаций оборонно-промышленного комплекса - производителей медицинских изделий и оборудования, представители региональной исполнительной власти, минздрава Самарской области. В конференции приняли участие ведущие исследователи из США - доктор Михаил Лебедев и профессор Слиман Бенсмайа (университет Дьюка и университет Чикаго), Германии - доктор Сте-фано Сильвони (Центральный институт психического здоровья, Мангейм), Гонконга - доктор Сяолин Ху (Политехнический университет). Свои научные достижения и инновационные разработки представили авторитетные отечественные школы в области нейронауки и в прикладных сферах, в том числе из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Отраслевого союза «НейроНет», инновационного центра «Сколково», Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, ИНЭУМ имени И.С. Брука, Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Самарского государственного медицинского университета и ведущих технических вузов Самары, а также производственные организации и IT-компании - участники инновационного территориального кластера медицинских и фармацевтических технологий Самарской области (одна из организаций кластера - «IT Universe» -выступила в качестве соорганизатора конференции), ведущие российские компании («Андроидная техника», «Технологии возможностей», «Медэкс» и др.). Рост интереса к самарской конференции со стороны профессионального сообщества обусловлен интенсивным развитием в СамГМУ как фундаментальной нейронауки и экспериментальной медицины, так и прикладных исследований, связанных с вопросами расшифровки электрической активности головного мозга, применения нейрокомпьютерных интерфейсов и виртуальной реальности в медицинской и социальной реабилитации, развития нейронных сетей. В научном фокусе конференции этого года было обсуждение последних достижений и перспектив развития по следующим направлениям: - нейрофизиология и математическое моделирование; - нейронные сети и нейрокоммуникации; - нейрокомпьютерные интерфейсы; - технологии нейрореабилитации; - виртуальная реальность в медицинской и социальной реабилитации. Запрос общества на научные исследования и инновационные разработки по обозначенному кругу вопросов, которые в основном и сформировали целевые установки конференции по клинической тематике, связан с возрастающим числом лиц с ДЦП, перенесенным инсультом, инфарктом миокарда, рассеянным склерозом, а также черепно-мозговыми травмами и другими заболеваниями, нарушающими подвижность и когнитивные функции. Актуальность обсуждаемой медицинской проблемы как с гуманистических, так и социально-экономических позиций трудно переоценить: неврологические заболевания лидируют среди причин инвалидизации населения, прямые экономические потери РФ только от последствий инсультов составляют 63,4 млрд руб. в год, непрямые - более 300 млрд руб. Так, по данным Национального регистра инсульта, в России заболеваемость составляет 3,45 на 1000 человек в год, что составляет более 450 тыс. новых инсультов в год. Инсульт остается одной из главных причин смерти и инвалидизации взрослого населения во всех развитых странах мира. Как непосредственная причина смерти в большинстве стран он занимает 3-е место (после ишемической болезни сердца и онкологических заболеваний), а в России - 1-е место (порядка 300 человек на 100 тыс. населения). У 80% выживших наблюдается та или иная степень ограничений в повседневной жизни, связанных со множеством неврологических расстройств (двигательных, речевых), а также психологических и интеллектуальных нарушений. Лишь около 20% лиц, перенесших инсульт, возвращаются к активной профессиональной жизни, а около 40% остаются тяжелыми инвалидами, часто требующими постороннего ухода. Однако, как отмечали участники конференции, мозг - очень пластичная и подвижная структура, и в период от 2-4 месяцев до нескольких лет после инсульта нервные клетки могут восстановить ряд своих функций. Соседние отделы мозга способны взять на себя функции пораженных нейронов. Именно применение ранней реабилитации и ее продолжение в более поздний период (на протяжении 2-3 лет) могут эффективно противостоять тяжелой инвалидности и способны вернуть пациента к нормальной жизни. Вариантов решения, в том числе представленных в мировом публикационном потоке последних лет, очень много, и некоторые из них можно отнести к прорывным. Они, как правило, представлены «на стыке наук» и, в частности, в области разработки нейрокомпьютер-ных интерфейсов, предназначенных для управления исполнительными устройствами «силой мысли» (например, протезов), для восстановления когнитивных связей, обучения движению и ряду других полезных функций, составляющих суть медицинской реабилитации пациентов с утратой или ограничением двигательных и когнитивных функций. В решении этой проблемы крайне важна научная и технологическая кооперация, о чем на этапе выработки идеологии конференции и высказался ректор СамГМУ, академик РАН, профессор Г.П. Котельников: «Уверен, что мы сделаем все возможное, чтобы от дискуссий перейти к созданию совместных лабораторий и продуктов. Для этого есть много возможностей. В университете работают Центр прорывных исследований и технопарк площадью более 1000 кв. метров. СамГМУ - ядро кластера медицинских и фармацевтических технологий Самарской области, в составе которого 55 организаций. Такие же партнерские сети существуют и у наших коллег в других городах и странах. Главное - уметь договариваться, использовать компетенции друг друга, а не идти параллельными путями и терять время». С акцентом на кооперацию на всех уровнях и строилась научная дискуссия - как на пленарном заседании 13 октября 2016 г., которое открыл и вел и.о. ректора, первый проректор - проректор по учебновоспитательной и социальной работе, профессор Ю.В. Щукин, так и в ходе состоявшихся 14 октября 2016 г. круглых столов: - «Прорывные направления в области исследования мозга и необходимая инфраструктура. Национальная технологическая инициатива «НейроНет»; - «Применение прорывных технологий для восстановления утраченных функций и разработки технических средств реабилитации». Так, участвующий в конференции представитель Правительства Самарской области - руководитель департамента информационных технологий и связи, заведующий кафедрой информационных систем и технологий в медицине СамГМУ С.В. Казарин отметил, что региональное руководство системно поддерживает инициативы СамГМУ, направленные на развитие нового сектора экономики «IT - медицина». «Проблематика, которой занимается медицинский университет, чрезвычайно важна не только для региона, но и в целом для всего научного сообщества. Вопросы создания умных устройств нужно решать также для многих отраслей народного хозяйства, в том числе и для развития аэрокосмической отрасли», - отметил С.В. Казарин. Генеральный директор Ассоциации организаций оборонно-промышленного комплекса - производителей медицинских изделий и оборудования А.Ю. Смирнов, приглашенный в качестве модератора пленарного заседания и одного из круглых столов, остановился на общемировых и отечественных центрах научнотехнологической кооперации и общегосударственных подходах по поддержке прорывных направлений в области исследования мозга и соответствующей инфраструктуре; особое внимание было уделено направлению Национальной технологической инициативы «Нейро-Нет» (СамГМУ является ее активным участником). Исполнительный директор Отраслевого союза «НейроНет» А.В. Семенов отметил, что на текущем этапе запускается все больше и больше международных проектов в области исследований головного мозга. «В рамках национальной технологической инициативы запущена дорожная карта «НейроНет», и Самара становится одной из точек роста в области нейротехнологий», - сказал Семенов. «Нам уже сегодня необходимо смоделировать, какие рынки будущего нужно развивать, чтобы через 15 - 20 лет мы были не на последних ролях, а в числе лидеров». В ходе конференции прозвучало много интересных выступлений более узкой тематической направленности, одно из них - обзорный доклад старшего научного сотрудника Центра нейроинженерии Университета Дьюка (США) Михаила Лебедева. Доклад был посвящен расширению функций мозга с помощью нейрокомпьютерных интерфейсов и других методов. Ученый уверен, что в мозге нет локализованных центров, которые кодируют какую-то специальную информацию, и несколько областей осуществляют кодирование информации одновременно. Он классифицировал интерфейсы по функциям, выделив моторные, сенсорные, сенсомоторные, когнитивные интерфейсы, а также мозгосети. Если когнитивные интерфейсы управляют высшими функциями мозга, то мозгосети позволяют проводить исследования с множеством разумных объектов, когда, например, три обезьяны выполняют двухмерные задачи, а вместе они выполняют трехмерную. Доклад заведующего лабораторией нейроинтерфейсов МГУ им. М.В. Ломоносова профессора А.Я. Каплана был посвящен проблемам совместимости мозга и компьютера и носил как фундаментальный, так и философский характер. Эта же тема была поднята и на следующий день в ходе модерирования ученым круглого стола, посвященного прорывным направления в области исследования мозга, и касалась горизонтов их планирования, потенциальных возможностей и ограничений взаимодействия «мозг-компьютер», в т.ч. на уровне органической совместимости. Профессор Слиман Бенсмайа (Университет Чикаго, США) рассказал о моделировании тактильных ощущений (чувствительности) для бионической руки. «Когда мы держим в руках объект, то получаем информацию о его размерах, форме, весе, скорости. Это два встречных процесса - сигнал о том, как мы хотим двигать рукой, и информация от рецепторов руки. Наша задача - внедрить подобные рецепторы в роботизированные протезы, чтобы информация от них шла в мозг, как и у обычных людей», - отметил С. Бенсмайа. Он также сказал, что день проведения конференции - особый, так как в этот день президент США пожал руку пациенту с протезом, который имитирует чувствительность парализованной конечности. Достижения одной из сильнейших отечественных школ в области фундаментальной и прикладной нейрофизиологии - Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва) - осветил профессор А.А. Фролов. Он представил клинический опыт постинсультной реабилитации с использованием экзоскелета кисти под управлением интерфейса «мозг-компьютер». Профессор В.Б. Казанцев, проректор по науке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, рассказал о разноплановых разработках своего университета и, в частности, особое внимание привлек к исследованиям по формированию искусственно культивируемых живых нейронных структур для решения задач управления (такие разработки ведутся и зарубежными коллегами и считаются очень перспективными). «Мышцы - естественные исполнительные устройства, которые могут сокращаться независимо и имеют быструю скорость переконфигу-рирования. Мозг координирует все процессы и выполняет поставленную задачу. Математически это функционал, который переводит вектор из пространства сенсорных сигналов в другой - вектор пространства исполнительных устройств. Решая эту задачу, мы создали ми-крофлюидный чип. По специальным канавкам идет процесс проращивания нейронов в строго определенной архитектуре. Это позволяет нам формировать любую логику, по сути, архитектуру живой нейронной сети». Очень интересные медицинские и инженерные решения были представлены в докладах еще нескольких зарубежных коллег. В частности, Стефано Сильвони (Центральный институт психического здоровья, Мангейм, Германия) привел данные по разработке нейрокомпьютерных интерфейсов для коммуникаций при боковом амиотрофическом склерозе и изучению возможностей человекомашинных интерфейсов для моторной реабилитации. Доктор Сяолин Ху (Политехнический Университет Гонконга) рассказала о применении управляемых силой мысли робототехнических устройств для реабилитации после инсульта. С обзором разработок СамГМУ выступил заведующий кафедрой нормальной физиологии с курсом безопасности жизнедеятельности, заведующий отделом нейроинтерфейсов и прикладной нейрофизиологии Центра прорывных исследований «Информационные технологии в медицине» профессор В.Ф. Пятин. Основная тематика доклада была посвящена реабилитации пациентов с двигательными нарушениями в виртуальной реальности и, в частности, последним достижениям наших ученых, в том числе в плане ранней реабилитации пациентов с инсультами в острой фазе, которые удалось достичь в кооперации с IT-компаниями кластера Медицинских фармацевтических технологий. Совместно выполняемые высокотехнологичные разработки находятся на стыке областей компьютерной техники, биомеханики и нейрореабилитации: универсальные программно-аппаратные платформы для людей с полной или частичной утратой двигательной и речевой функций, аппаратно-программные комплексы для терапии с виртуальной обратной связью пациентов неврологического и ортопедического профиля с двигательными нарушениями функций верхних и нижних конечностей. На аспектах прикладной математики, информационных технологиях и инженерных решениях по данному направлению создания нейроинтерфейсов подробнее остановились в своем выступлении специалисты компании IT-Universe (Самара). Физико-математическое и инженерное направление было развито в выступлении специалистов НПО «Ан-дроидная техника» (Москва-Магнитогорск) по поводу разработки роботизированных комплексов интеллектуального ассистирования специального и медицинского назначения. Следует сказать, что в России данная организация является лидером в сфере разработки андро-идной техники, причем самого различного назначения (в т.ч. военного и космического). Помимо пленарного заседания в этом году были организованы постерная сессия и ознакомительная экскурсия по вузовскому научно-производственному технопарку (он впервые в обновленном формате был представлен гостям и участникам конференции) и Центру прорывных исследований «Информационные технологии в медицине». Уровень оснащения и содержания деятельности указанных объектов инновационной инфраструктуры СамГМУ впечатлил всех участников конференции, но, что особенно ценно, дал им «пищу для размышлений» в плане дальнейшей научно-технологической кооперации, формирования общих проектов и целых направлений совместной деятельности. В частности, Михаил Лебедев сформулировал свое видение так: «Наша лаборатория (Центр нейроинженерии университета Дьюка, США) проводит фундаментальные исследования на животных, а после они воплощаются в прикладные разработки, в том числе и в области медицины. Я участвую в работе этой конференции второй раз и вижу заметный прогресс в разработках самарских коллег. Впечатляют успехи Центра прорывных исследований, который функционирует в университете. Есть интересные разработки и по моей тематике. В мире миллионы людей страдают от паралича, но можно от функционирующих областей головного мозга получить сигнал и сделать его управляющим для внешнего устройства и, таким образом, восстановить утраченные моторные функции. Можно стимулировать собственные мышцы человека, но можно решать и обратную задачу по доставке сигналов в мозг, восстанавливая его чувствительность». В результате работы конференции достигнута договоренность о дальнейших совместных шагах участников, что и нашло отражение в принятом решении. О ДАЛЬНЕЙШИХ ПЛАНАХ Так как конференции предстоит стать ежегодной и более масштабной, было принято решение включить в состав ее оргкомитета представителей Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Комиссии РСПП по фармацевтической и медицинской промышленности, Отраслевого союза «Нейро- Нет», Фонда «Сколково», Университета Дьюка (Дарем, США), Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, ИНЭУМ имени И.С. Брука, Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, компании «IT-Universe», НПО «Андроидная техника» и АНО «Технологии возможностей». Также готовится консолидированное предложение в профильные федеральные министерства - Мин-промторг России, Минздрав России, Минтруда России, а также в Фонд перспективных исследований, Инновационный центр «Сколково», Отраслевой союз «НейроНет» и Агентство стратегических инициатив по проекту НТИ (направление NeuroNet) о вхождении в состав соорганизаторов конференции или включении ее в их планы мероприятий. Участники конференции примут участие в реализации Дорожной карты НейроНет НТИ в части, касающейся проведения совместных исследований и разработок, коммерциализации результатов работ, организации мероприятий, создания совместных лабораторий и центров. Члены оргкомитета будут проводить системную работу по приглашению к участию в конференции максимально широких кругов ученых и специалистов - медиков и других смежных дисциплин (в области биологии, медицинской информатики, микро- и гибкой электроники, биоинженерных специальностей и др.). Оргкомитет проработает вопрос в реализации инициатив по развитию дисциплин Кибатлона в России и включению данной тематики в программу конференции (первая олимпиада для людей-киборгов прошла осенью 2016 года в Швейцарии; в соревнованиях применялись экзоскелеты и бионические протезы, демонстрировались технологии по управлению аватарами через нейроинтерфейсы). Также в рамках работы конференций планируется проведение выставок достижений в области нейроинтерфейсов и нейрореабилитации и клинические разборы применения технологий в медицинской практике. Оргкомитет конференции сформирует иницатив-ную группу по проработке вопроса создания в Российской Федерации клинических центров по апробации и внедрению инновационных разработок в области нейроинтерфейсов и нейрореабилитации. Совместно с Отраслевым союзом «НейроНет» и с привлечением профессионального сообщества будет изучен вопрос о состоянии и перспективах организации образовательных центров в области разработки нейроинтерфейсных технологий и их приложений для медицины: - школьное образование (ЦМИТ, клубы юных нейромоделистов, нейрокружки и др.); - студенческая наука и молодые исследователи (научные школы и инновационная инфраструктура: студенческие конструкторские бюро, бизнес-инкубаторы, стартап-центры, бизнес-акселераторы); - профессиональное образование (развитие компетенций имеющихся и организация новых кафедр и направлений подготовки, организация в вузах НОЦ, открытие программ бакалавриата и магистратуры, аспирантуры и докторантуры). ПОДВОДЯ ИТОГИ При всех очевидных достижениях и огромном числе разноплановых и высокотехнологичных разработок в области нейроинтерфейсов и смежных сферах, из которых только незначительная часть была обсуждена на прошедшей конференции и представлена в настоящем издании, на вопрос Аристотеля всё еще можно ответить словами другого древнегреческого философа Сократа: «Я знаю только то, что ничего не знаю». Однако, как и должно быть в настоящей науке, ученых и специалистов это не останавливает, а стимулирует к дальнейшим совместным усилиям по расширению круга познания работы человеческого мозга и его неисчерпаемых возможностей. Подведение следующих промежуточных итогов состоится в формате III Международной научнопрактической конференции «Нейроинтерфейс: наука и практика. Самара-2017». Мы ждём новых участников! w

About the authors

A V Kolsanov

Samara State Medical University

Email: avkolsanov@mail.ru
PhD, professor, director of the Institute of innovative development of Samara State Medical University

E V Avdeeva

Samara State Medical University

Email: avdeeva.ev@gmail.com
PhD, professor, deputy director of the Institute of innovative development of Samara State Medical University

Supplementary files