Мозг и компьютер: взаимоконтроль

Мозг и компьютер / Фото: ktsimage / istockphoto

Видеоигры гипнотизируют, даже обезьяну. Что может объяснить, почему 6-летний Джаспер (лабораторная обезьяна) просидел, не отрывая взгляда, у экрана компьютера в лаборатории Вашингтонского университета почти час, манипулируя с маленьким красным мячом, бросая его в движущуюся мишень. Более интересным в таком смиренном поведении Джаспера является то, что для этого он использует только свои мысли.

Джаспер – не единственная обезьяна, которая управляет объектами с помощью мыслей. В Университете Питтсбурга, пара макак манипулировала контролируемой с помощью мысли искусственной рукою, чтобы схватить и съесть желейные конфеты. Потом обезьяны работали той же рукой, чтобы повернуть ручку двери – и тут сила мышц им не понадобилась. В противном случае, обезьяны в Северной Каролине приводили в движение японского робота с помощью своих мыслях, которые передавались почти через полсотни мира. Теперь пришло время попробовать и людям.

В серии клинических исследований, ученые готовятся применить контролируемые мыслями технологии, известные как мозго-компьютерный интерфейс, для тех, кто может извлечь из этого наибольшую пользу. Испытания являются важным шагом в реализации амбициозной, но вполне доступной цели, как говорят ученые – восстановить возможность самостоятельно передвигаться людям, которые потеряли возможность применять свою мускулатуру из-за повреждения головного или спинного мозга.

В течение следующих нескольких лет, парализованных пациентов будут учить, как маневрировать виртуальными руками и роботизированной рукой, чтобы достать что-нибудь, подтолкнуть, схватить или поесть. По мере овладения методикой, исследователи надеются научить пользователей более сложным движениям. «Наконец, мы хотим сделать такое, чтобы пациенты не занимались, выполняя повседневные задачи: застегивая молнии, пуговицы, завязывая обувь и т.д.», – говорит нейробиолог Эндрю Шварц из университета Питсбурга.

Предпосылкой к реализации этого достижения является тот факт, что клетки мозга создают крошечные небольшие электрические сигналы перед тем, как тело выполнит определенное действие. За последние два десятилетия ученые выяснили, как использовать небольшой электрод, в виде чипа, имплантированного в мозг, чтобы собирать образцы этих сигналов и сопоставлять их с конкретными движениями. Когда расшифровать их с помощью компьютерных программ, те же сигналы, которые обычно определяют перемещение предмета с помощью живой конечности, могут быть использованы для управления курсором на экране компьютера или робота-манипулятора.

Беспроводные электроды

Изображение: беспроводные электроды (показан прототип) в один прекрасный день могут позволить парализованным пациентам легко управлять протезом. (Г. Г. Харрисон и др. / IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering)

Уже сейчас люди пользуются несколькими простыми, контролируемыми с помощью мозга возможностями – например, запись слов на экране компьютера, включение телевизора или открытие электронного ящика. В этих случаях, пациенты использовали их разум, чтобы выполнять основные движения роботизированной рукой или открывать и закрывать виртуальной рукой. Но методика была несовершенной, со слишком громоздким оборудованием, которое является сложным для работы дома без посторонней помощи. А сегодняшние устройства являются часто очень медленными и требуют длительной тренировки.

Запланированные испытания предусматривают проверку двух различных подходов к способу внедрения в человеческий мозг, необходимые для лучшего контроля внешних устройств. Рассчитывая на сигналы одного нейрона, исследователи пытаются сделать движение более точным. Другие используют более новый и более поверхностный подход, учитывая тот факт, что сигналы от мозга иногда ослабевают. И пока эти исследования ведутся, некоторые команды подумывают о возможности возвращения сигнала извне обратно в мозг.

Попытки разработать машины, с помощью которых можно было бы управлять человеческим разумом, начались в 1960-х годах, когда ученые впервые приложили единичные электроды к мозгу обезьяны для записи нейронной активности. К удивлению исследователей, они обнаружили, что некоторые клетки в тех областях, которые контролируют движения, начали подавать сигнал раньше, чем животное осуществляло движение. Позднее ученые выяснили, что эти области являются активными, так как мозг планирует движение до того, как начнет его выполнять. Люди, чей спинной мозг был поврежден, и которые больше не могут управлять конечностями, могут генерировать необходимые планировочные сигналы в головном мозге. Именно эти сигналы, исследователи пытаются перехватить и расшифровать, превращают научную фантастику в реальность.
Большинство таких «мозг-компьютерных» интерфейсов собирают информацию из специфических нейронов моторной коры, где инициируются и выполняются движения. При имплантации большого количества тонких электродов непосредственно в мозг, ученые могут записывать четкие и сильные сигналы. Этот подход имеет некоторые недостатки: метод требует, чтобы электроды хирургическим путем были глубоко вживленные в мозг, создавая риск заражения и возможность иммунной реакции, могут привести к образованию рубцов вокруг электродов и ухудшить сигнал. Но это пока единственный способ получить четкие сигналы от отдельных нейронов, и поэтому некоторые ученые полагаются на этот метод.

Мозг-компьютерные интерфейсы

Изображение: С помощью мозг-компьютерных интерфейсов, пациенты были в состоянии выполнять основные контролируемые мыслями задачи в лаборатории. Современные приборы для контроля электрических сигналов отдельных нейронов состоят из массивов электродов, имплантированных в мозг, подключены к основе, которая имплантирована в череп. Во время работы эта основа подключается к компьютеру, который расшифровывает регистрируемые сигналы мозга, чтобы перемещать курсор на экране или манипулировать роботизированной рукой. (Head: © 3d4Medical.com/Corbis; inset: T. Dubé; monitor: scottdunlap / istockphoto)

На сегодняшний день пять больных людей в США полностью оснащены вживленными электродами. Пациенты были частью клинических испытаний устройства под названием BrainGate, разработанным Cyberkinetics Neurotechnology Systems Inc., компания, соучредителем которой является нейробиолог Джон Донахью из Браунского университета.

Имплантированные электроды отправляют нервные сигналы к небольшой основе, выступающей с головы пациента. Во время лабораторных тестов, постамент можно подключить через кабель к компьютеру, который расшифровывает сигналы мозга в понятную информацию. Один пациент, женщина, которая перенесла инсульт, осталась иммобилизованной вниз от шеи и не в состоянии говорить, использовала ее имплантат в лабораторных условиях в течение почти пяти лет. В апреле в Journal of Neural Engineering, Донахью и его команда описала, как почти после трех лет использования, устройство продолжает работать с некоторым затуханием сигнала. «Если бы она использовала эту систему в повседневной жизни, это в определенной степени тоже бы работало», – говорит Донахью.

Тем не менее, исследователи работают над усовершенствованием устройств. Роботизированная рука BrainGate может прикоснуться и принять объект, но у нее отсутствует маневренность типовой руки. Десятки независимых мышц управляют человеческой рукой вверх-вниз, влево-вправо, контролируют позиции плеча, локтя, предплечья и запястья. Руки также требуют много независимых движений мышц, или “ступеней свободы”, чтобы ущипнуть, держать и сжать.

В Университете Питтсбурга, Шварц готовится испытать контролируемую мыслями людей руку с 17 степенями свободы. Рука будет иметь полный перечень плечевых движений, запястье, рукой можно будет обвести круг вокруг чашки или взять в руки небольшой предмет, например, карандаш.

«Это позволит нам начать выполнять ловкие движения, которые раньше никогда не пытались делать», – говорит Шварц. В испытаниях с обезьянами уже использовали версию этой дистанционной руки, как сообщал Шварц в феврале на ежегодной встрече Американской ассоциации содействия развитию науки.

По материалам: www.sciencenews.org

Поделиться с друзьями:

Также интересно:


Вы можете следить за обсуждением этой записи с помощью RSS 2.0. Вы можете оставить комментарий, или trackback с вашего сайта.
2 Комментарии
  1. Aleksandra пишет:

    С одной стороны действительно эти исследования полезны, а именно для людей, которые по тем или иным причинам не могут вести полноценную жизнь. Однако нужно еще много работать, поскольку на людях еще ничего толком не было испытано в этой области. А так – действительно большая перспектива и польза для определенного круга людей

  2. ЖЕКА пишет:

    Что можно сказать, успеха этим ученым в будущих исследованиях, поскольку это действительно важный эксперимент

Оставить комментарий