Джон Доногью¶

Джон Доногью (John Donoghue; род. 20 июля 1949, Уотербери, Коннектикут, США) — американский учёный в области нейроинженерии, профессор нейронаук и инженерии в Университете Брауна (Провиденс, Род-Айленд). Наиболее известен как создатель и руководитель проекта BrainGate — системы нейрокомпьютерного интерфейса, предназначенной для восстановления двигательных функций у людей с параличом конечностей. Доногью является одним из пионеров в области имплантируемых нейропротезов, способных считывать электрические сигналы коры головного мозга и преобразовывать их в команды для управления внешними устройствами.

¶Биография

Джон Доногью родился в 1949 году в Уотербери, штат Коннектикут. В 1971 году получил степень бакалавра по биологии в Университете Коннектикута. Затем продолжил обучение в Университете Вермонта, где в 1973 году получил степень магистра по биологии, а в 1979 году — докторскую степень (PhD) по нейрофизиологии. После защиты диссертации Доногью работал в Национальном институте здравоохранения (NIH) в лаборатории нейрофизиологии, где изучал нейронные механизмы двигательного контроля.

В 1985 году он перешёл в Университет Брауна, где основал лабораторию нейроинженерии. В 2001 году Доногью стал сооснователем компании Cyberkinetics, которая занималась коммерциализацией технологии BrainGate. В 2004 году под его руководством была проведена первая в мире клиническая имплантация нейрокомпьютерного интерфейса человеку. В 2011 году Доногью был избран членом Национальной академии наук США, а в 2013 году — членом Национальной инженерной академии США.

¶Научная деятельность

¶Ранние исследования

До начала работы над нейрокомпьютерными интерфейсами Доногью занимался фундаментальными исследованиями нейронной активности в моторной коре головного мозга. Он изучал, как группы нейронов кодируют параметры движения — направление, скорость, силу. В 1990-х годах его лаборатория разработала математические модели, позволяющие декодировать намерения движения из электрических сигналов мозга.

¶Разработка BrainGate

Основной проект Доногью — BrainGate — представляет собой систему нейрокомпьютерного интерфейса, состоящую из имплантируемого микроэлектродного массива (чипа) и внешнего декодирующего устройства. Микроэлектродный массив, известный как Utah Array, содержит 100 микроэлектродов, которые вживляются в моторную кору головного мозга. Электроды регистрируют электрические сигналы от отдельных нейронов, после чего эти сигналы передаются по проводам через кожу к внешнему компьютеру.

Алгоритмы машинного обучения в реальном времени преобразуют нейронную активность в команды, позволяющие управлять курсором на экране, роботизированным манипулятором или инвалидной коляской. Первая клиническая имплантация системы BrainGate была проведена в 2004 году пациенту Мэтту Нэглу (Matt Nagle), который был парализован ниже шеи в результате ножевого ранения. Нэгл смог управлять курсором, читать электронную почту и играть в видеоигры с помощью силы мысли.

¶Клинические испытания

С 2004 года под руководством Доногью было проведено несколько фаз клинических испытаний системы BrainGate. В 2012 году была опубликована работа, демонстрирующая возможность управления роботизированной рукой с помощью нейрокомпьютерного интерфейса для выполнения повседневных задач, таких как захват предметов. В 2015 году команда Доногью показала, что пациенты с параличом могут управлять двумя виртуальными руками одновременно, что открыло путь к управлению протезами с несколькими степенями свободы.

В 2021 году было объявлено о начале нового этапа испытаний, в котором используется беспроводная версия системы BrainGate, позволяющая пациентам двигаться без привязки к стационарному оборудованию.

¶Технологические аспекты

¶Микроэлектродный массив (Utah Array)

Основной элемент системы BrainGate — Utah Array, разработанный в Университете Юты. Это квадратный массив из 100 кремниевых микроэлектродов длиной около 1,5 мм, расположенных на расстоянии 400 мкм друг от друга. Каждый электрод покрыт изолирующим слоем, за исключением кончика, который регистрирует электрическую активность нейронов. Массив имплантируется в моторную кору головного мозга с помощью пневматического инжектора.

¶Декодирование сигналов

Сигналы от нейронов обрабатываются в реальном времени с помощью алгоритмов, основанных на линейной регрессии и байесовском декодировании. Система определяет, какие нейроны активируются при намерении совершить движение, и преобразует эту активность в координаты курсора или команды для робота. Точность декодирования повышается со временем благодаря адаптивным алгоритмам, которые учитывают изменения в нейронной активности.

¶Применение

Основное применение технологии BrainGate — восстановление двигательных функций у людей с тяжёлыми формами паралича, вызванными травмами спинного мозга, боковым амиотрофическим склерозом (БАС) или инсультом. Система позволяет пациентам:

• управлять компьютерным курсором для набора текста и работы с интерфейсами;
• управлять роботизированными протезами и манипуляторами;
• управлять инвалидной коляской;
• в перспективе — управлять собственными конечностями через стимуляцию мышц (функциональная электростимуляция).

В экспериментальных исследованиях система также использовалась для управления экзоскелетами и дронами.

¶Критика и ограничения

Несмотря на значительные успехи, технология BrainGate имеет ряд ограничений. Имплантация микроэлектродного массива требует инвазивного нейрохирургического вмешательства, что сопряжено с рисками инфекции, воспаления и отторжения. Со временем качество регистрируемых сигналов может ухудшаться из-за образования рубцовой ткани вокруг электродов. Кроме того, система требует постоянного подключения к внешнему компьютеру через провода, что ограничивает мобильность пациента.

Критики также отмечают, что скорость и точность управления курсором с помощью BrainGate пока уступают альтернативным неинвазивным методам, таким как электроэнцефалография (ЭЭГ), хотя и обеспечивают большее количество степеней свободы. Стоимость системы и необходимость длительного обучения остаются серьёзными барьерами для широкого внедрения.

¶Награды и признание

За свои работы Джон Доногью получил ряд престижных наград, включая:

• Премию Фонда Уоррена Альперта (2005) за вклад в нейроинженерию;
• Премию IEEE Neural Engineering Award (2008);
• Премию Национального института здоровья (NIH) за инновации в нейронауках (2012);
• Медаль Бенджамина Франклина в области инженерии (2017).

В 2020 году журнал Time включил Доногью в список 100 самых влиятельных людей в области здравоохранения.

¶Источники

• Donoghue, J. P. (2002). Connecting cortex to machines: recent advances in brain interfaces. Nature Neuroscience, 5, 1085–1088.
• Hochberg, L. R., Serruya, M. D., Friehs, G. M., et al. (2006). Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature, 442(7099), 164–171.
• Simeral, J. D., Kim, S. P., Black, M. J., et al. (2011). Neural control of cursor trajectory and click by a human with tetraplegia 1000 days after implant of an intracortical microelectrode array. Journal of Neural Engineering, 8(2), 025027.
• Ajiboye, A. B., Willett, F. R., Young, D. R., et al. (2017). Restoration of reaching and grasping in a person with tetraplegia through brain-controlled muscle stimulation. The Lancet, 389(10081), 1821–1830.
• University Brown. John Donoghue — Faculty Profile. — Brown University, Providence, RI, 2023.
• National Academy of Engineering. Dr. John P. Donoghue — Member Directory. — NAE, Washington, DC, 2013.