Архив:

Нейротехнологии будущего: в ожидании людей-осьминогов

В 2008 году в сети появился видеоролик из лаборатории Университета Питтсбурга, в котором обезьяна кормит себя механической рукой, управляемой силой мысли. Манипулятор, с помощью которого макака хватала кусочки пищи и подносила ко рту, был подключен к компьютеру, а тот, в свою очередь, получал управляющие сигналы напрямую из мозга животного. Наглядная демонстрация возможностей интерфейса «мозг-компьютер» производила столь сильное впечатление, что кадры этого эксперимента были включены в голливудский блокбастер «Суррогаты». Уже тогда специалисты понимали, что применение данной технологии на человеке не заставит себя долго ждать.

И вот недавно в авторитетном медицинском журнале The Lancet вышла работа той же группы авторов и сразу была признана одним из прорывов 2012 года по версии журнала Science. Женщина 52 лет, полностью парализованная ниже шеи, обрела способность брать и перемещать предметы с помощью роботизированной руки, ловкость движений которой приближается к человеческой.

Чтобы подключить мозг пациентки к манипулятору, ученые хирургическим путем имплантировали в ее моторную кору два чипа, расположив их на расстоянии 14 мм друг от друга. Каждый чип размером 4х4 миллиметра представлял собой матрицу из 96 микроэлектродов, которые предназначались для считывания и передачи сигналов. Активность нервных клеток улавливалась электродами, через них транслировалась в компьютер и после обработки специальной программой воплощалась в команды для механической руки. Уже на второй день тренировок женщина смогла свободно двигать ей в различных направлениях. Точность и скорость контроля постепенно возрастали в течение 13 недель, пока пациентка практиковалась в управлении манипулятором. Со временем она научилась прицельно направлять кисть в нужное место пространства, брать там предметы разных форм и размеров и перемещать их по своему желанию. После многих лет полного паралича всех конечностей она теперь может самостоятельно угостить себя шоколадом или же обменяться рукопожатием с другим человеком: механическая рука, расположенная в паре метров от пациентки, становится все более неотъемлемой «частью» ее тела.

Высокая антропоморфность движений, достигнутая в данном эксперименте, стала возможной благодаря оригинальному подходу, подсказанному самой природой. Сигналы от мозга передаются в контроллер, который объединяет их с данными о текущем положении манипулятора и соответствующих ограничениях, возникающих в ходе движения. Такая архитектура управления поразительно напоминает организацию центральной нервной системы млекопитающих. Согласно современным представлениям, намерение о действии спускается из моторной коры к стволу головного и спинного мозга. Именно там вырабатываются детальные инструкции для мышц с учетом поступающей информации о положении конечности и механических ограничениях, связанных с выполнением задания.

Иными словами, компьютер исполнял роль спинного мозга, принимая от коры пациентки управляющие команды и организуя на их основе тонкую настройку движений. За счет этого управление механической рукой оказалось на редкость интуитивным. Когда ведущий программы «60 minutes» спросил женщину, что она ощущает, приказывая манипулятору начать то или иное действие, она попросила его поднять руку: «Что вы чувствуете? Ровно то же самое происходит со мной. Я просто хочу взять предмет, и рука начинает двигаться».

Это не первая успешная попытка напрямую связать мозг человека с компьютером, но на данный момент наиболее впечатляющая. Она показывает, что для обеспечения сложных движений достаточно регистрации активности небольшого числа нейронов. Кроме того, нейроны постоянно учатся и способны день за днем прибавлять в контроле над искусственной рукой. Технология прогрессирует на наших глазах – с момента ранних экспериментов Мигеля Николелиса с обезьянами прошло всего несколько лет.

Однако ученым предстоит решить ряд серьезных вопросов, прежде чем подобные интерфейсы придут в клиники и вернут частичную подвижность сотням тысяч парализованных пациентов. Сейчас такая система очень дорога и требует ежедневной отладки декодирующих алгоритмов. Далее необходимо разработать безопасные беспроводные передатчики, способные бесперебойно работать десятки лет. Основная проблема, конечно, заключается в том, что данная технология инвазивна, то есть предполагает операцию на голове и внедрение чужеродного материала в мозг. Помимо прочего, это повышает риск инфекционного заражения. Поэтому параллельно этим исследованиям развиваются альтернативные направления, где управление роботизированными протезами осуществляется на основе сигналов ЭЭГ и ЭКоГ, снимаемых с поверхности головы. По понятным причинам свобода и координированность движений в этом случае заметно уступают достигнутому в Питтсбурге, ведь нейроны приходится «слушать» через стенку черепа. Но такой способ, при очевидных недостатках, имеет ряд преимуществ (прежде всего, безопасность). Поэтому специалисты работают над разными вариантами. В частности, неинвазивные интерфейсы «мозг-компьютер» разрабатываются на биофаке МГУ имени Ломоносова в лаборатории А. Я. Каплана.

Следующий ближайший шаг в развитии нейропротезов связан с механическими устройствами, обладающими тактильной чувствительностью. Сигналы станут направляться не только от мозга к манипулятору, но и в обратную сторону. На пальцах искусственной кисти будут располагаться сенсоры, которые сообщат об упругости предмета, его температуре и весе. При этом человек непосредственно почувствует все так, как если бы он держал предмет обычной рукой. Первые эксперименты, где проверялась такая возможность, уже проведены.

При всех сложностях, возникающих в процессе использования нейрокомпьютерных технологий, они войдут в жизнь людей уже в недалеком будущем. Прикованные к постели инвалиды получат инструмент взаимодействия с внешним миром и обретут немного свободы. Однако этим потенциал систем «мозг-компьютер» не исчерпывается. Если представить более отдаленную перспективу, то можно увидеть, как потомки сегодняшних громоздких интерфейсов позволят не только заменить неработающие конечности, но и предоставить дополнительные.

Применений тут может быть масса, о чем предлагаю читателю поразмыслить самостоятельно. Более того, подключаемые устройства не обязаны походить на обычные руки и ноги. Они могут быть разнообразных конструкций и размеров. Как показывают опыты с применением виртуальной реальности, у мозга особых проблем в адаптации не возникнет. Радикальный вариант – соединение мозга с модулем, способным принимать всевозможные формы. В этом случае людям станет доступно умение осьминога, о чем так мечтает ветеран Силиконовой долины Джарон Ланьир. Он полагает, что быстрое интуитивное преобразование внешности в широких пределах обогатит человеческое общение, так как позволит выражать оттенки мыслей и эмоций, для которых речь оказывается слишком скудна. Что ж, потенциально, по крайней мере, этого можно добиться при помощи интерфейса «мозг-компьютер».

Денис Тулинов

Источник: slon.ru

ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ