Безусловно, одной из самых популярных тем в нейронауке стал интерфейс «мозг-компьютер». Или BCI (Brain-Computer Interface), как это принято называть не только за границей, но и у нас. Что же это такое? Давайте разберемся и заодно узнаем, какие новейшие достижения в этом направлении уже есть.
Как это работает?
Для того чтобы «управление силой мысли» (как часто в прессе называют BCI) стало возможным, ученым сначала нужно было сделать несколько открытий. И, во-первых, выяснить, что наш мозг во время своей работы обладает электрической активностью.
Сам этот факт зафиксировал еще в далеком 1875 году англичанин Ричард Катон. Однако нужно было научиться эту активность регистрировать. Первый шаг сделал киевлянин Владимир Правдич-Нейминский, который сумел в 1912 году записать активность мозга у собаки. Правда, с открытого мозга, не через череп.
Классической электроэнцефалографии пришлось ждать еще 12 лет. В 1924 году немец Ханс Бергер записал первую в мире ЭЭГ и открыл альфа- и бета-ритмы мозга. Тогда же появились электроды, которые крепятся к коже, а не вводятся непосредственно в мозг. Правда, признания этого метода пришлось ждать долго. Только вмешательство Нобелевского лауреата, сэра Дугласа Эдриана, повторившего все эксперименты Бергера, заставило признать ЭЭГ во всем мире.
Затем нужно было понять, что можно научиться менять параметры ЭЭГ (как и другие параметры организма). И не только человек на это способен — в одном из экспериментов еще в 1960-х годах было показано, что ради еды крыса может менять давление в хвостовой артерии. А позже стало понятно, что шимпанзе может более-менее осознанно манипулировать активностью даже одного нейрона.
Вот на этих принципах и знаниях и построены современные интерфейсы «мозг-компьютер». У человека снимается электрическая активность головного мозга, в то время как он мысленно выполняет определенное действие. Например, берет в руки шахматную фигуру и делает ход (мысленно! руки человека в это время находятся в покое). В электроэнцефалограмме компьютер пытается вычленить из ЭЭГ паттерны движения — общие элементы структуры активности мозга, характерные для конкретного элемента движения.
Затем электроды соединяются с устройством, которым нужно управлять: протезом, экзоскелетом, квадрокоптером, автомобилем, инвалидным креслом. И можно начинать точно так же думать о движении. Компьютер уже знает паттерны движения, но на этом этапе получается обратная связь — само движение. Тут уже можно его немного корректировать и таким образом «тренировать».
Нужно сказать, что для управления сложными движениями — речь идет о протезах — «обычной» ЭЭГ все-таки не хватит. Слишком много шумов, «каша» сигнала не дает возможности тонкой настройки движений. В сложных устройствах используются другие методы регистрации мозговой активности.
Настоящий прорыв в интерфейсах «мозг-компьютер» случился в 2012 году, когда Джон Донахью опубликовал статью, где описывался случай полностью парализованной пациентки, которой вживили 96 электродов на «чипе» 4x4 мм. При помощи этих электродов женщина сумела натренировать протез так, что роботическая рука брала емкость с водой и подносила ее ко рту оператора.
Пожалуй, именно с этого и начался бум подобных разработок. Конечно же, их ждут и все люди, потерявшие способность двигаться, и люди, желающие управлять чем-либо без помощи рук (в скобках отметим, что на чемпионате профессий World Skills нейропилотирование — управление транспортным средством при помощи интерфейса «мозг-компьютер» — уже вошло в программу).
Что нового в мире BCI?
Каждый год с этого времени в мире выходит очень много работ, которые можно по-настоящему назвать прорывными, выводящими интерфейсы «мозг-компьютер» на новый уровень.
Вот лишь три результата последнего года, которые открывают новые рубежи в исследованиях.
Шевеление одним пальцем. Ученые и инженеры из Университета Джонcа Хопкинса (США) в феврале опубликовали в журнале Journal of Neural Engineering отчет о создании первого протеза руки, управляемого BCI. На поверхность головного мозга пациента была имплантирована пластинка с 128 электродами, каждый из которых контролировал активность участка коры мозга 1 мм в диаметре.
При помощи этого интерфейса пациент смог шевелить отдельными пальцами руки независимо друг от друга. Правда, нужно быть честными — пока что испытания проводились не на ампутанте, а на пациенте с двумя руками, который шевелил пальцами подключенного к электродам протеза.
Авторы работы отмечают, что предыдущие версии протезов, использующих интерфейс «мозг-компьютер», конечно, могли шевелить пальцами, но делали только согласованные движения всей кистью: например, чтобы взять бутылку с водой или теннисный мяч.
Протез чувствует шероховатость. Швейцарские ученые из Высшей политехнической школы в Лозанне создали бионический протез пальца, который передает обратно в мозг информацию о текстурах поверхности.
Искусственный палец состоит из силиконового протеза, датчика и микросхемы, преобразующей сигналы датчиков в импульсы, «понятные» нервам.
В остаток левой руки тестировщика-ампутанта были имплантированы электроды, соединенные с периферической нервной системой. Подключив протез к своим электродам, испытатель «вслепую» ощупывал специально подготовленные пластиковые поверхности. В результате ему удалось правильно отличить гладкую поверхность от шершавой в 96 % случаев.
Макака-водитель. И, конечно же, самым выдающимся событием года можно назвать работу Мигеля Николелиса и Михаила Лебедева из Университета Дьюка (США), которые научили макак управлять инвалидной коляской при помощи интерфейса «мозг-компьютер».
Команда Николелиса работала с двумя макаками-резусами с 2012 года. В кору головного мозга обоих животных имплантировали тончайшие электроды, снимавшие электрическую активность отдельных нейронов.
Для обезьянок сконструировали специальную роботическую «каталку», в которой их жестко фиксировали. За исключением рук — ими они могли брать виноградины из миски, до которой нужно было добраться. Коляска могла управляться роботом по заданной программе или согласно сигналам, передаваемым по Wi-Fi.
Сначала макак (и сам интерфейс, конечно) «тренировали», катая их при помощи робота по заданному маршруту из трех разных начальных точек. Пути специально сделали петляющими, чтобы макаки смогли думать о движениях вбок и назад для коррекции собственных движений.
После этого каталку переключили на управление интерфейсом «мозг-компьютер». Поначалу макаки справлялись не очень хорошо, но затем, после тренировок, дело пошло гораздо лучше.
Фото istockphoto.com
