«Создаем канал управления для человека, естественные каналы коммуникации которого утрачены»

— Я с детства мечтал изучать медицину, — вспоминает Дмитрий. — Поступил в Ростовский базовый медицинский колледж, планировал учиться в медицинском университете, специализироваться в области неврологии. Интересовался тем, как устроен мозг. Однако поступил учиться в Ростовский государственный университет (в настоящее время Южный федеральный университет, ЮФУ) на психологический факультет. Специализировался на кафедре «Психофизиология и клиническая психология», деканом которого был Павел Николаевич Ермаков, доктор биологических наук, профессор. Тематика кафедры была близка к «клинике», тому, в чем я хотел профессионально себя реализовать. На втором курсе я попал в НИИ нейрокибернетики РГУ к будущему научному руководителю — Валерию Николаевичу Кирою, доктору биологических наук, профессору, в лаборатории которого я начал научную работу. Вообще, считаю, что мне повезло с учителями. Будучи студентом, я получил широкий доступ к научной лаборатории и возможность изучать нейрофизиологические механизмы двигательной активности человека. Избрал для себя наиболее интересное направление исследований в области интерфейсов «мозг-компьютер» (далее ИМК) — технологии сопряжения биоэлектрической активности мозга человека и компьютера. С тех пор более 10 лет я занимаюсь проблематикой нейроинтерфейсов.

Дмитрий за это время стал соавтором более 90 научных статей, при этом он только собирается защищаться:

— Кандидатская диссертация посвящена нейрофизиологическим механизмам произвольной двигательной активности человека, электрографические корреляты которых могут быть использованы для создания нейроинтерфейсов различного назначения. В диссертационной работе обсуждаются вопросы о том, как мозг создает и реализует двигательную программу.

Как поясняет Дмитрий, проблема нейроинтерфейсов лишь на треть является фундаментальной. Все остальное — прикладные задачи, связанные с внедрением технологии в среду конечных пользователей — обездвиженных лиц. Однако в настоящее время сферы применения нейроинтерфейсов не ограничиваются только клиническими задачами, рассматриваются здоровые люди в качестве пользователей ИМК, например в игровой индустрии.

— Технология ИМК, как известно, изначально разрабатывалась военными США, — говорит Дмитрий. — Однако у военных нет в ней большой потребности. Произошел трансфер технологии в гражданскую область применения. Она стала эксплуатироваться для реабилитации и ресоциализации пациентов, обездвиженных по разным причинам: после инсультов, травм или имеющих нейродегенеративные заболевания. Основным требованием технологии является сохранность сознания и интеллекта у человека, подключенного к ИМК, несмотря на то что периферическая нервная система может быть уничтожена, например, болезнью Шарко. При этом пациент все еще способен управлять собственной мозговой активностью и, скажем, мысленно вообразить движение, чтобы на основе этого образа сформировать команду управления компьютером или протезом. Информацию о подготовке или выполнении движения ИМК извлекает из сигнала электроэнцефалограммы (ЭЭГ), регистрируемой на голове. Наши наработки также могут использоваться в работе со здоровыми людьми. Это направление исследований в области ИМК особо актуально для контроля состояния операторов, управляющих сложными (эргодическими) системами. Человек на рабочем месте обрабатывает поток информации, интенсивность и насыщенность которого непрерывно увеличивается, а скорость перцептивных процессов и когнитивные способности самого оператора физиологически ограничены. Слабым звеном человеко-машинных систем является человек, от его действий зависит безопасность эксплуатации различного транспорта и энергосистем. Повышение надежности человеческого звена является актуальной задачей в контексте повышения эффективности подобных систем. Для этого состояние человека необходимо тщательно отслеживать, чтобы не допустить снижения его работоспособности и своевременно предотвратить аварию. Информацию о состоянии человека, например, можно извлечь, изучая активность его головного мозга. Развивающееся состояние утомления может быть выявлено в сигналах ЭЭГ задолго до того, как человек его осознает и почувствует.

В моде также нейромаркетинговые исследования, применяющие технологию ИМК, в частности известны попытки оценить реакцию мозга человека на ту или иную упаковку товара, цвет или форму. Во время устного опроса человек может сообщить неправду, а активность его мозга указывает на истинные предпочтения. Эта информация ценна для маркетологов, они ее используют для управления поведением покупателей.

И все же главным направлением работы Дмитрия является работа над технологиями реабилитации тяжело больных людей. Например, парализованных вследствие инсульта.

— Если у человека случился обширный инсульт, возникают трудности с передвижением и коммуникацией, — говорит Дмитрий. — Движения и речь выпадают как функции мозга, что негативно отражается как на физическом состояний человека, так и на его психологическом статусе. В этом случае может быть применена технология виртуальной клавиатуры в сочетании с ИМК, когда с помощью концентрации внимания на том или ином символе человек может набирать сообщения, чтобы позвать сиделку или даже отправить сообщения в социальные сети. В случаях, когда поражаются те области мозга, которые ответственны за двигательную активность, нейроинтерфейсы способны подключать к нервной системе новые моторные единицы. Это может быть, например, бионический протез, экзоскелет, инвалидное кресло, управляемые воображением парализованного человека. Для этого разработаны специализированные программы обучения пользователей ИМК. Представляя движения, человек способен управлять реальным протезом или курсором на экране компьютера. Смысл технологии состоит в том, чтобы дать человеку дополнительный канал управления тогда, когда его основные двигательные нервно-мышечные каналы, в том числе речевые, к сожалению, оказываются утрачены.

Нейроинтерфейсы активно разрабатываются по всему миру, но пока далеки от совершенства. Достаточно несложно научить человека использовать четыре команды для управления инвалидным креслом, большее количество команд уже представляет трудность для освоения как для человека, так и для нейронных сетей, являющихся программной основой ИМК. Требуются новые алгоритмы и методы анализа биоэлектрической активности мозга. Дмитрий с коллегами работает в области методов глубокого обучения. Цель — создать нейросети, способные к самообучению:

— Этим мы сейчас и занимаемся, решая фундаментальные задачи исследования: пытаемся научить специальные нейронные сети интеллектуально распознавать разные паттерны мозга для того, чтобы можно было ими эффективно, быстро и надежно управлять. На рынке есть различные нейроинтерфейсы, однако системы с развитым нейроуправлением представлены слабо. Для доведения их до потребителя потребуются немалые средства и поддержка государства. Ученые по всему миру также занимаются глубокой оптимизацией технологии ИМК, чтобы дать возможность рынку предложить их людям с ограниченными возможностями.

Дмитрий уже успел поучаствовать в реализации ряда проектов, поддержанных различными грантами. В настоящее время реализуется проект «Разработка стимул-независимой модели интерфейса «Мозг-компьютер» для реабилитации людей с ограниченными возможностями», связанный с прикладными и фундаментальными аспектами разработки нейроинтерфейсов. Проект поддержан престижным грантом Российского научного фонда с общим финансированием 18 млн руб.

— С позиции фондов, насколько нам известно, прикладные проекты сейчас выглядят более привлекательными и перспективными, поэтому они чаще поддерживаются, — говорит Дмитрий. — Наша нейронаучная тематика в последнее время привлекает к себе большой интерес, в частности потому, что нейроинтерфейсы имеют конкретные точки применения. Технология уже не выглядит размытой, поскольку очерчены основные стратегические направления ее развития благодаря усилиям Научной технологической инициативы (НТИ). В связи с этим растет и научная конкуренция. В России появилось множество научных групп, занятых разработкой ИМК, потребных для решения самых разных задач — нейроуправления и нейромониторинга. Это, конечно, очень хорошо, поскольку научная экспертиза технологии ИМК неуклонно растет и человеко-машинные технологии бурно совершенствуются. В нашем Центре нейротехнологий ЮФУ также много талантливой молодежи, студентов, которые проявляют большой интерес и специализируются по данному направлению исследований, они выполняют свои квалификационные работы, в том числе диссертационные.

Дмитрий помимо научной работы имеет педагогическую нагрузку и преподает в магистратуре по направлению био- и нейротехнологии на базе физфака ЮФУ:

— Мы отбираем наиболее талантливую молодежь среди студентов и воспитываем их для работы в нашем центре.

— Если посмотреть на биографию многих выдающихся ученых, можно выделить их глубочайший интерес к исследуемой области, компетентность в смежных междисциплинарных науках, самоотверженное служение делу и даже некую одержимость в достижении цели. Эти характеристики с уверенностью можно отнести к молодому перспективному ученому Дмитрию Михайловичу Лазуренко, сотруднику НИТЦ нейротехнологий ЮФУ, — говорит кандидат технических наук Дмитрий Шапошников. — Как шутят коллеги, научная деятельность Дмитрия, подтвержденная многочисленными публикациями, позволяет выходить на защиту докторской диссертации, минуя этап кандидата наук. На сегодняшний день Дмитрий является основным исполнителем проектов, выполняемых по заказу крупных научных фондов России и представителей реального сектора экономики. Основной вектор его научных интересов направлен на разработку неинвазивных интерфейсов «мозг-компьютер», которые сейчас являются ключевыми в области создания принципиально новых каналов коммуникации и методик реабилитации людей с ограниченными возможностями.