Безумовно, однією з найпопулярніших тем у нейронауці став інтерфейсу «мозок-комп'ютер». Або BCI (Brain-Computer Interface), як це прийнято називати не тільки за кордоном, але й у нас. Що ж це таке? Давайте розберемося і заодно дізнаємося, які новітні досягнення в цьому напрямку вже є.
Як це працює?
Для того щоб «управління силою думки» (як часто в пресі називають BCI) стало можливим, вчені�� спочатку потрібно було зробити кілька відкриттів. І, по-перше, з'ясувати, що наш мозок під час своєї роботи має електричною активністю.
Сам цей факт зафіксував ще в далекому 1875 році англієць Річард Катон. Однак потрібно було навчитися цю активність реєструвати. Перший крок зробив киянин Володимир Правдіч-Нейминский, який зумів у 1912 році записати активність мозку у собаки. Правда, з відкритого мозку, не через череп.
Класичної електроенцефалографії довелося чекати ще 12 років. У 1924 році німець Ганс Бергер записав пе��ву в світі ЕЕГ і відкрив альфа - і бета-ритми мозку. Тоді ж з'явилися електроди, які кріпляться до шкіри, а не вводяться безпосередньо в мозок. Правда, визнання цього методу довелося чекати довго. Тільки втручання Нобелівського лауреата, сера Дугласа Едріана, який повторив всі експерименти Бергера, змусило визнати ЕЕГ у всьому світі.
Потім потрібно було зрозуміти, що можна навчитися змінювати параметри ЕЕГ (як і інші параметри організму). І не тільки людина на це здатна — в одному з експериментів ще в 1960-х роках було показано, що радийі їжі щур може змінювати тиск у хвостовій артерії. А пізніше стало зрозуміло, що шимпанзе може більш-менш свідомо маніпулювати активністю навіть одного нейрона.
Ось на цих засадах і знаннях і побудовані сучасні інтерфейси «мозок-комп'ютер». У людини знімається електрична активність головного мозку, в той час як він подумки виконує певну дію. Наприклад, бере в руки шахову фіг��ру і робить хід (подумки! руки людини в цей час перебувають у спокої). В електроенцефалограмі комп'ютер намагається вичленувати з ЕЕГ патерни руху — загальні елементи структури активності мозку, характерні для конкретного елемента руху.
Потім електроди з'єднуються з пристроєм, яким потрібно керувати: протезом, экзоскелетом, квадрокоптером, автомобілем, інвалідним кріслом. І можна починати точно так само думати про рух. Комп'ютер вже знає патерни руху, але на цьому етапі виходить зворотній зв'язок — сам рух. Тут ��ж можна його трохи коректувати і таким чином «тренувати».
Потрібно сказати, що для управління складними рухами — мова йде про протезах — «звичайної» ЕЕГ все-таки не вистачить. Занадто багато шумів, «каша» сигналу не дає можливості тонкої настройки рухів. У складних пристроях використовуються інші методи реєстрації мозкової активності.
Справжній прорив в інтерфейсах «мозок-комп'ютер» стався в 2012 році, коли Джон Донахью опублікував статтю, де описувався випадок повністю паралізованою пацієнтки, кото��ой вживили 96 електродів на «чіпі» 4x4 мм За допомогою цих електродів жінка зуміла натренувати протез так, що роботическая рука брала ємність з водою і підносила її до рота оператора.
Мабуть, саме з цього і почався бум подібних розробок. Звичайно ж, їх чекають і всі люди, які втратили здатність рухатися, і люди, що бажають керувати чим-небудь без допомоги рук (в дужках зазначимо, що на чемпіонаті професій World Skills нейропилотирование — керування транспортним засобом за допомогою інтерфейсу «мозок-комп'ютер» — вже увійшло в програму).
3> Що нового в світі BCI?
Кожен рік з цього часу у світі виходить дуже багато робіт, які можна по-справжньому назвати проривними, що виводять інтерфейси «мозок-комп'ютер» на новий рівень.
Ось лише три результату останнього року, які відкривають нові рубежі в дослідженнях.
Ворушіння одним пальцем. Вчені й інженери з Університету Джонса Хопкінса (США) в лютому опублікованих��овали в журналі Journal of Neural Engineering звіт про створення першого протеза руки, керованого BCI. На поверхню головного мозку пацієнта була імплантована пластинка з 128 електродами, кожен з яких контролював активність ділянки кори мозку 1 мм в діаметрі.
За допомогою цього інтерфейсу пацієнт зміг ворушити окремими пальцями руки незалежно один від одного. Правда, потрібно бути чесними — поки що випробування проводилися не на ампутанте, а на пацієнта з двома руками, який ворушив пальцями підключеного до електродів протеза.
Автори роботи відзначають, що попередні версії протезів, що використовують інтерфейс мозок-комп'ютер», звичайно, могли ворушити пальцями, але робили тільки узгоджені рухи всією кистю: наприклад, щоб узяти пляшку з водою або тенісний м'яч.
Протез відчуває шорсткість. Швейцарські вчені з Вищої політехнічної школи в Лозанні створили біонічний протез пальця, який передає назад в мозок інформацію про текстури поверхні.
Штучний палець складається з силіконового протеза, датчика і мікросхеми, що перетворює сигнали датчиків в імпульси, «зрозумілі» нервам.
В залишок лівої руки тестувальника-ампутант були імплантовані електроди, з'єднані з периферичною нервовою системою. Підключивши протез до своїх електродів, випробувач «наосліп» ощупывал спеціально підготовлені пластикові поверхні. В результаті йому вдалося правильно відрізнити гладку поверхню від шорсткою в 96 % випадків.
Макака-водій. І, звичайно ж, найбільш видатною подією року можна назвати роботу Мігеля Николелиса і Михайла Лебедєва з Університету Дьюка (США), котоякі навчили макак керувати інвалідним візком за допомогою інтерфейсу «мозок-комп'ютер».
Команда Николелиса працювала з двома макаками-резусами з 2012 року. В кору головного мозку тварин обох імплантували найтонші електроди, які знімали електричну активність окремих нейронів.
Для мавпочок сконструювали спеціальну роботическую «каталку», в якій їх жорстко фіксували. За винятком рук — ними вони могли брати виноградини з миски, до якої потрібно було дістатися. Коляска могла управлятися роботом по заданій программе або відповідно до сигналів, що передаються по Wi-Fi.
Спочатку макак (і сам інтерфейс, звичайно) «тренували», катаючи їх за допомогою робота по заданому маршруту з трьох різних початкових точок. Шляхи спеціально зробили петляють, щоб макаки змогли думати про рухи вбік і назад для корекції власних рухів.
Після цього каталку переключили на управління інтерфейсом «мозок-комп'ютер». Спочатку макаки справлялися не дуже добре, але потім, після тренувань, справа пішла набагато краще.
Олексій Паєвський
Фото istockphoto.com