Проф. д-р Петя Копринкова: Специална апаратура ще помага на парализирани хора да проходят

Български екип ще работи върху декодер на мозъчните сигнали

Проф. д-р Петя Копринкова: Специална апаратура ще помага на парализирани хора да проходят

Петя Копринкова-Христова е професор към Института по информационни и комуникационни технологии (ИИКТ), БАН, от 2019 г. и до момента.

Има придобита университетска степен магистър по биотехника в Технически университет, гр. София през 1989 г. Доктор е по Автоматизация на производството (Обучение и устойчивост на интелигентни системи за управление с приложение към биотехнологични процеси), Българска академия на науките, 2001 г.

Научните интереси на проф. Копринкова са в областта на невронни мрежи, размити множества, интелигентно управление и оптимизации, теория на автоматичното управление, управление на нелинейни процеси (биотехнологични процеси).

Член е на редакционните колегии на сп. „Автоматика и Информатика”, официално издание на САИ, Frontiers in Computational Neuroscience, Cybernetics and Information Technologies. Член е на редица научни организации: European Neural Network Society (ENNS), изборен член на изпълнителния комитет за периода 2011-2019 г, IFAC CC 3 - Computers, Cognition and Communication, TC 3.2. Com­putational Intelligence in Control, Съюз на математиците в България, Съюз по автоматика и информатика.

Била е поканен лектор по „Управление на процеси и производствена автоматизация” на английски език в Технически университет, гр. София, филиал Пловдив. В момента е поканен лектор при ФМИ, Софийски университет, по дисциплините „Математически основи на невробиологията“ и „Обучение по метода поощрение/наказание“.

Проф. Копринкова е участвала в над 12 научни проекта.

Учени от Института по информационни и комуникационни технологии на БАН, част от международен консорциум, ще започнат работа по проект “Автоадаптивен невроморфен мозък-машинен интерфейс”, свързан с приложението на изкуствения интелект в здравеопазването.

Проектът, финансиран от Европейската комисия, има за цел да позволи на хора с тежки увреждания на гръбначния стълб, които не могат да движат крайниците си, да “започнат да ходят” и да извършват дейности, които не са възможни без помощни устройства.

От българска страна в проекта участват проф. Никола Касабов, проф. Петя Копринкова и ас. Симона Неделчева. Всяка година около 746 000 души получават гръбначно увреждане, което има драматични човешки, социални и икономически разходи и води до частична или дори пълна загуба на способността за движение.

Интерфейсите мозък-машина (BMI) преобразуват мозъчните нервни сигнали в команди към външни механизми. Те пораждат надежда, че подвижността на крайниците може да бъде възстановена, давайки на пациентите контрол върху протезите или дори собствените си крайници чрез електрическа стимулация. Въпреки впечатляващите резултати, въвеждането на невропротезите в ежедневната практика е трудно. 

Повече по темата сподели проф. д-р Петя Копринкова-Христова.

- Проф. Копринкова, моля първо да разкажете повече на читателите ни за вашия проект със сложното име „Авто-адаптивен невроморфен мозъчно-машинен интерфейс”.

- Нашата цел е да разчитаме сигналите от мозъка на пациенти с парализирани крайници – горни и долни или само краката, и тяхното желание да извършат някакво движение с крайниците. След това да предаваме съответно, сигнала за разчетеното желание към помощните средства, които ги задвижват. В случая на обездвижени долни крайници, колегите от Швейцария имат разработен имплант, който се слага в гръбначния стълб, за да замести, образно казано, частта от него, която е повредена. 

Този имплант подава импулси към нервите, задвижващи краката на пациента. В случая с напълно обездвижени пациенти се задвижва т.нар. екзоскелет – разработка на колектив от Франция, който подпомага движенията както на ръцете, така и на краката на пациента. Част от тези средства вече са разработени.

Петя Копринкова-Христова

Целта на нашия екип е този декодер – устройството, което разчита мозъчните сигнали, да бъде адаптивен, тоест, да може да се самонастройва спрямо опита и желанията на пациента, тъй като до момента той се обучава в лабораторни условия. А всяка такава пренастройка изисква пациентът отново да бъде извикан в лабораторията за донастройка на декодера му. Така че нашата задача, по-специално на колектива от Института по информационни и комуникационни технологии, е вдъхновена от работата на проф. Никола Касабов, който в момента е в Нова Зеландия.  

Негова е и заслугата в колектива на проекта да има българско участие.  Проф. Касабов ще дойде тук, за да работим заедно по проекта – да използваме определени модели на нервните клетки, които са максимално близки до реалните, така наречените – спайк-тайминг модели.

Проф. Касабов вече има разработки на подобни декодери. Целта е да разработим такъв софтуер, който да бъде вграден в устройство, което пациентът да носи на себе си и да му осигурява максимална независимост от всякакви компютри и лабораторно оборудване. Тоест, той да си носи това устройство, което да му позволява в процеса на използване на протезата или на импланта в гръбначния стълб да подобрява движенията си с течение на времето.

- Малко сложно звучи, но е удивително това, което правите. Вие ще „накарате” краката на парализиран човек да се движат.

- Да, така е. Част от разработката вече е действаща 

Всъщност, колегите от Швейцария имат имплантирани пациенти с обездвижени крака и постигат големи успехи с раздвижването им. Но, тъй като има все още какво да се желае точно по отношение на декодера на мозъчните сигнали, нашата част е специфично насочена към това да го усъвършенстваме и да го направим максимално удобен за пациента. 

Така че българският ни екип няма да работи директно с медицинската част на проекта. Тоест, ние няма да се занимаваме с имплантирането на невропротезите, а със софтуера, който да позволява максимално адаптивното им използване. Невропротезите са доста сериозни разработки от колективи, с участие и на медицински специалисти.

- Как действа самата разработка, ако може да я обясните на не научен език, за да помогне на един парализиран човек да се движи?

- В момента колегите от Швейцария, както казах, имат имплант, който се поставя на тази част на гръбначния стълб, която е прекъсната, при пациенти само с обездвижени крака. Само имплант за съжаление не може да се сложи, ако обездвижването е и на ръцете, защото това означава, че целият гръбначен стълб е обездвижен. При тях се подават импулси към нервите, които се задвижват от този имплант, за да раздвижват и краката. Тоест, техният имплант, образно казано, замества прекъснатата част от гръбначния стълб. 

Същевременно, има имплант и в мозъчната кора, 

който разчита мозъчната активност в тази част, която е свързана със задвижването на крайниците. Ние се занимаваме с декодиране на информацията директно от мозъка, която мери мозъчната активност в тази специфична област, така че пациентът да няма нужда да борави с някакво електронно устройство, за да си настройва движенията, защото в момента е така.

Целта ни е директно да разчитаме неговите желания за движение, да ги декодираме и да ги предаваме на устройствата, които го подпомагат. Що се отнася до екзоскелета, това е все едно външен скелет – устройство, което да задвижва крайниците. По същия начин се подава информация за желаното движение. Тя се декодира, активира се външното устройство, което задвижва пациента.

- Докъде е стигнала работата ви по разработването на декодера?

- Нашият проект ще стартира през октомври. Вече имаме начални разработки, които се базират на спайк-тайминг модели, но за конкретния случай ще разчитаме на координацията с нашите партньори от проекта, за да получим конкретни данни от мозъчния имлант от реални пациенти. Оттам-нататък ще разработим софтуера, който ще декодира и ще се самонастройва. Специфичната част със самонастройването ще е обект на нашата бъдеща работа – ще позволи да направим всичкото това много по-удобно за пациента.

- На вас се пада най-фината част от работата – така ли?

- Най-фината, може би, все пак е хирургичната намеса при поставянето на имплантите, но там ние нямаме компетентност. Общо взето, нещата са така свързани, че партньорите се допълваме взаимно.

- Какъв път предстои да измине проектът, преди да достигне до пациентите, които се нуждаят от устройството?

- Този въпрос засяга медицинската гледна точка. Има много строги етични норми и правила за одобрение на проекти в здравеопазването. Всъщност, вече в Швейцария имат имплантирани пациенти, както казах, на гръбначния стълб. Но оттам-нататък може би е въпрос и на чисто законови постановки – има много неща от медицинска гледна точка, които трябва да са изпипани, за да е сигурно, че пациентът няма да пострада.

Знаете, че в медицината всяко нещо претърпява много, много тестове преди да бъде въведено в практиката. От тази гледна точка, може би няма да е достъпно сега и веднага. Софтуерът се разработва бързо, но останалата част, докато приложението стане рутинно, предполагам ще трябва да се направят много стъпки за одобряването му. 

- Предвиждат ли се такива клинични изпитвания с участие на български пациенти-доброволци?

- Нашата цел е да направим самата научна разработка. Оттам- нататък медицинските тестове за разрешаване на употребата им вероятно ще продължат извън нашия проект, защото те трябва да бъдат свързани най-вече с някои от медицинските центрове. Не сме предвидили участие в изпитванията на български пациенти, защото нямаме в екипа тук включен партньор от някои медицински университети. Още повече, че и патентът за импланти, от медицинска гледна точка, е на колегите в Швейцария. Всъщност, те вече провеждат достатъчно голяма рекламна кампания. И, ако ще се правят някакви медицински тестове, вероятно ще настояват да се провеждат в тяхна клиника.

- Каква е вашата лична мотивация да се включите в проекта?

- Аз се познавам лично с проф. Касабов от години и също работя в областта на спайк-тайминг моделите. Интересувам се от моделиране на мозъка, от създаване на такива модели, които максимално се доближават до работата му и могат да бъдат полезни за най-различни изследвания. Така че за мен ще е също много полезно да имам възможност да работя и с реални данни от мозъка, защото получаването им не е толкова лесно. 

Нашият колектив вече работи с колеги от Института по невробиология при БАН, но те са насочени към ЕЕГ сигнали и други такива неинвазивни методи, които могат да се прилагат по-лесно. Въпреки че и там експериментът не е толкова лек. Все пак ние не работим с болни хора, а със здрави, докато работата с реални пациенти е много по-специфична, защото при тестовете с тях целта е да им разрешим определен проблем, а не да усложняваме състоянието.

- Споменахте, че имате научен интерес към спайк-тайминг моделите. Бихте ли обяснили какво представляват?

- Това са модели на ниво нервна клетка, които отчитат физиката и химията, на която се основава действието на всяка нервна клетка. „Спайк” буквално преведено означава „запалване”. Тоест, нашата нервна клетка генерира сигнали под формата на поредица от импулси, наречени „запалвания”, така да се каже. По този начин информацията се предава в мозъка и затова така се наричат и тези модели.

Всяка нервна клетка се описва с диференциални уравнения, на математически език казано, които отчитат промяната в заряда на мембраната на клетката, клетъчната стена и оттам, как тази клетка генерира сигнал и как промяната му зависи от това доколко е свързана тя с другите нервни клетки, образно казано. Тоест, тези модели са на доста по-сложно ниво, отколкото класическите изкуствени невронни мрежи, които са доста по-опростени като математически апарат.

- Кое във вашата работа, в познанието на мозъка ви е впечатлило най-много?

- С колегите от Института по невробиология на БАН работим по модели, които имитират работата на мозъка. В момента се занимаваме със зрителната система при хората и как преработва информацията. Так, че от тази гледна точка е интересно човек да знае точно как става това в нашия мозък, защото често технологиите имитират какво правим с мозъка си, но не навлизат така дълбоко в детайлите, в структурите му.

По-скоро правят имитация на принципа подобно действие на това, което наблюдаваме външно и не се задълбочават в детайлите – коя структура от мозъка какво прави. Докато при невролозите нещата са на ниво не само нервни клетки, но и мозъчните структури, с различните им функции и начините, по които си взаимодействат.

Швейцарски учени изправиха на крака трима пациенти

Трима пациенти, с напълно парализирана долна част на тялото след травма на гръбначния мозък, са били в състояние да ходят, да карат колело и дори да плуват отново с помощта на устройство за нервна стимулация, управлявано от таблетен компютър със сензорен екран. Това съобщиха наскоро група учени, ръководени от швейцарски експерти. Тези пациенти са живели с травми в областта на гръдния кош за различни периоди от време, от една до девет години. Но те успяват да направят първите си стъпки в рамките на един час, след като неврохирурзи им имплантират прототипи на устройства за нервна стимулация, дистанционно управлявани от софтуер, базиран на технология за изкуствен интелект.

През следващите шест месеца пациентите си възвръщат способността да се занимават с по-сложни ежедневни дейности, като ходене, колоездене и дори плуване извън клиниката, докато контролират независимо устройствата си за нервна стимулация с помощта на таблет със сензорен екран. И тримата пациенти - мъже на 29, 32 и 41 години, са тежко пострадали при катастрофи с мотоциклети.

Грегоар Куртин и Джоселин Блок от Швейцарския федерален технологичен институт в Лозана (EPFL) ръководят този проект. Припомняме ви, че към момента няма терапия, която да позволява на гръбначния мозък да се самовъзстановява след критични наранявания.

Все пак съществуват методи, способни да възстановят предишната мобилност на парализирани хора въз основа на най-новите технологии. Ако резултатите от това проучване се потвърдят в по-големи тестови проучвания, тогава хората, обездвижени поради наранявания на гръбначния мозък, може някой ден отново да могат самостоятелно да вземат смартфон (или да „говорят“ със смарт часовник), да изберат своя собствена дейност, като например „ходене“ или „седене“, а след това да изпращат съответната команда до имплантираното в тях устройство, което ще започне да стимулира нервите и мускулите им да извършват подходящите движения.

 Милена ВАСИЛЕВА

 

 

Коментари