Сила мысли: как нейроинтерфейсы меняют жизнь и помогают эволюции

June 27, 2016   

   

Ученые лаборатории нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ работают над нетривиальной задачей: они заняты разработкой технологии передачи информации напрямую от мозга к внешним исполнительным устройствам, чтобы человек одним только мысленным усилием мог включать-выключать бытовые приборы, набирать текст на экране компьютера, или даже управлять протезом. Казалось бы, это и есть та самая телепатия, о которой так много говорят, но никак не определятся в ее существовании.

На самом деле, в основе этой технологии, получившей название интерфейс мозг-компьютер (ИМК) лежит метод электроэнцефалографии — метод регистрации электрической активности мозга прямо с кожной поверхности головы. Эти отголоски информационной деятельности нервных клеток регистрируются с помощью электродов, прижатых к коже головы, усиливаются в миллион раз, расшифровываются с помощью математического анализа и уже в виде команд передаются к внешним устройствам. Никакой мистики, только знание, какие признаки в электрической активности мозга свидетельствуют о намерении человека сделать движение рукой или зафиксировать на экране нужную букву. Как только такой признак появляется в электроэнцефалограмме, он немедленно распознается и превращается в соответствующую команду, на которую заранее настроены включенные в исполнительную цепочку приборы. Интерфейсы мозг-компьютер — это революционная технология, которая открывает новый способ коммуникации.

«Дело в том, что единственный путь у человека проявить свои мысли и желания, — это активировать мышцы тела или голосовых связок, — объясняет научный интерес к теме Александр Яковлевич Каплан, доктор биологических наук, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ. — Получается, что мозг человека обеспечивается информацией по многим каналам: зрительному, слуховому, обонятельному, тактильному, вкусовому. Но  передать обратно результаты обработки этой информации во внешний мир он может через единственный канал — мышечную систему. Идея интерфейсов мозг-компьютер — найти новый путь передачи информации во внешнюю среду, непосредственно от мозга».

Создать технологию и устройство, которые помогут обездвиженным больным общаться с миром, — такова цель ученых из лаборатории нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ. Попросить воды, узнать у родных, как дела, рассказать о своем самочувствии — все это люди, лишенные речи и движений, смогут сделать с помощью нейрокоммуникатора, технологии, способной преобразовать пусть не сами мысли, но конкретные намерения человека в сообщения.

Со стороны это кажется фантастикой: обездвиженный человек смотрит в монитор, и на экране буква за буквой появляется текст его сообщения. Но это реальность: через прижатые к коже головы серебряные контакты размером с копеечную монету, число которых может достигать 256, собирается исходная электрической активности, колебания которой вокруг нулевой линии не превышают двух-трех десятков миллионных долей вольта, — это и есть исходный «материал» для расшифровки намерений человека. Далее эти сигналы усиливаются, превращаются в цифровые значения, и в дело вступают алгоритмы расшифровки.

Расшифровка намерений — это тоже не тайна за семью печатями. К примеру, чтобы догадаться, какую букву в данный момент хочет набрать человек, его просят смотреть на экран, на котором в быстрой последовательности демонстрируются все буквы алфавита. В ходе этой процедуры у человека непрерывно регистрируется и анализируется энцефалограмма, в которой на каждую букву обнаруживаются небольшие реакции. Если человек намерен выбрать конкретную букву, то реакция на ее появление будет отличаться от реакций на ненужные ему в данный момент символы. Это событие тут же преобразуется в команду для набора этой буквы на экране. Казалось бы все просто, но электрические реакции мозга на выбор букв настолько малы и изменчивы, что их приходится распознавать как едва мелькнувшее в толпе знакомое лицо. Поэтому соревнование между разработчиками нейрокоммуникаторов идет на увеличение надежности распознавания задуманных человеком символов.

В лаборатории Александра Каплана удалось добиться 95% точности набора символов напрямую от мозга. Ошибочно набранные буквы можно таким же образом исправить: мысленным усилием набрать символ «стереть», «заменить» и т.д.

«Сейчас мы готовимся к реализации совершенно новой идеи, — говорит профессор Каплан. — На основе уже созданных нейрокоммуникаторов мы хотим создать социальную сеть для парализованных пациентов — НейроЧат. Ни для кого не секрет, как нуждается в общении эта группа пациентов. Мы дадим им эту возможность: в НейроЧат смогут объединиться как пациенты из профильных клиник, так и находящиеся в домашних условиях. Более того, мы уже договорились с соответствующими клиниками в Лос-Анджелесе для создания международной сети НейроЧат, в которую будут встроены компьютерные переводчики. На единой платформе этой сети пациенты разных стран смогут общаться между собой независимо от знания того или иного языка».

По мнению Каплана, появление экспериментальных образцов, которые могут быть использованы в больницах, — дело одного-двух лет.

Если с расшифровкой задуманных человеком букв ученые справляются с 95% точностью, то распознать возникающие в уме образы пока еще не удается ни одной из лабораторий мира. Похоже, эти образы вовсе не проявляются в электроэнцефалограмме, за исключением самых простых, телесных: движений частей тела, например, сжатия кисти в кулак. Однако этих знаний оказалось достаточно, чтобы построить еще одну технологию помощи пациентам после инсульта и черепно-мозговых травм, — нейротренажерные системы. Парализованные части тела приходят в движение с помощью намерения человека и экзоскелетных устройств. Намерения передаются моторчикам экзоскелета, который механически приводит в движение парализованную конечность. Таким образом запускается тренировочный процесс, в результате которого может восстановиться вся цепочка двигательного акта, и экзоскелетные конструкции могут быть отброшены, как уже ненужные костыли.

Разработку нейротренажеров ученые ведут в кооперации с инженерными компаниями. Исследователи из МГУработают в связке с Институтом электронных управляющих машин им. И.С. Брука (ИНЭУМ). В ИНЭУМ разработали не только экзоскелеты, но и протезы конечностей. Ученые лаборатории Каплана создают систему этих протезов посредством нейроинтерфесов.

Еще один партнер лаборатории МГУ — это Реабилитационный центр «Преодоление», совместно с которым разработан Нейровертикализатор — специальное кресло, приводящее парализованного человека в вертикальное положение, что способствует его нормальной жизнедеятельности. Теперь пациент сам может управлять этим креслом, мысленно задав нужную команду. Совместно с Институтом проблем передачи информации ученые МГУ работают над высокопроизводительными алгоритмами для расшифровки моторных образов.

Нейро- и психофизиологи, математики, программисты и инженеры трудятся над тем, чтобы сделать тренажеры более эффективными, а протезы и инвалидные коляски более маневренными и легкими в управлении.

Медицинские технологии — важная, но не единственная область применения интерфейсов мозг-компьютер. В них зашит серьезный потенциал, позволяющий увеличить производительность мозга и эффективность его работы с информацией.

«Сегодня наш мозг, «приспособленный» эволюцией к среде обитания еще 40-50 тысяч лет назад, оказался уязвимым в  совершенно новых для него условиях — в мире новых информационных технологий, — объясняет Александр Каплан. — Мы буквально окружены интенсивными потоками разнообразной мультимедийной информации, которую мозг уже едва успевает анализировать. Такие неестественные перегрузки для мозга, конечно, не проходят бесследно: резкий рост психических расстройств среди населения развитых стран тому подтверждение. Поэтому неудивительно, что ученые взялись за проблему оптимизации работы мозга в условиях информационно-аналитических перегрузок».

Мы привыкли к усилителям умственных способностей, к калькуляторам, компьютерам, помогающим нам быстрее, точнее и надежнее работать с информацией. Теперь появляются электронные помощники нового уровня — нейроорганайзеры. Анализируя сигналы мозга, они заранее будут предсказывать, какая именно информация нужна человеку, и автоматически перестраивать дисплейные комплексы для представления только нужной на данный момент информации. Вы только подумали о том, что хотите более детально рассмотреть одну из областей экрана, как именно этот фрагмент раскрылся крупнее, а остальные ушли в затемнение. Так, новые технологии в виде нейроорганайзеров позволят в онлайн режиме выстраивать наиболее гармоничное и эргономичное общение человека с внешним миром.

Ксения Салюкова, автор статей по технологиям

http://iq.intel.ru/2855-2/?dclid=CL2y4v … cgodiKAMVg