Движение — движением мысли
Полностью парализованные пациенты с нетерпением ждут начала серийного производства систем управления предметами силой мысли. Учёные и инженеры разных стан вроде бы уже не раз и не два показывали такие опытные установки в действии. Вот только с их серийностью, не говоря уже о массовости, до сих пор — проблема. Три новые технологии, появившиеся недавно, должны существенно продвинуть работы на данном фронте.
Ранние опыты в области управления инвалидной коляской силой мысли учёные и инженеры ставили ещё в 2003 году. Базировались они на съёмке электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Как уже неоднократно говорилось, главная трудность тут не в получении сигналов активности клеток, а в том, чтобы понять – что именно означают эти сигналы? Несмотря на обилие знаний о мозге, учёные тут всё ещё напоминают слепых мудрецов из древней притчи, взявшихся на ощупь определить, что же такое слон? Один нащупал хобот, другой хвост, третий уши, но целой картины, понятно, не получилось.
В общем, впечатляющие результаты в области мысленных интерфейсов, пока ещё, по большей мере представляют собой результат эмпирических находок, позволяющих применить пойманные закономерности в узких областях.
Так появилось немало прообразов систем помощи инвалидам: от интерфейса с коляской до мысленного письма. Более того, накопленные знания привели к тому, что эта же, по сути, технология вышла в области совсем уж далёкие от медицины, вроде экзотического шоу мозгового оркестра или даже серийной настольной игрушки — мысленного баскетбола. Но парализованные больные своего «слона» так и не получили.
Недавно очередной крупный шаг сделала компания Toyota, совместно с институтами японского исследовательского фонда RIKEN. Партнёры представили инвалидное кресло, вполне живо и оперативно управляемое силой мысли. В основе – всё та же шапочка с электродами для снятия ЭЭГ. Новшества – в деталях.
Одна из трудностей подобной технологии – электрический шум. Сигналы от клеток мозга измеряются микровольтами и легко перекрываются помехами. Другая проблема – точность размещения электродов в ключевых точках. В случае с применением «мозговой шапки» в движении неизбежно возникают небольшие сдвиги этой самой шапки, приводящие к искажению картины.
Это всё складывается с трудностью расшифровки сигналов и умножается на время, необходимо компьютеру, чтобы верно интерпретировать данные. И вот теперь, как гласит пресс-релиз Toyota, японские учёные добились существенного ускорения декодирования сигналов с шапки с электродами.
В новом кресле пациент просто представляет себе желаемое направление движения, а система расшифровывает его мозговые сигналы всего за 125 миллисекунд. То есть кресло принимает новую команду каждые 1/8 секунды. При этом перед глазами человека на экране ноутбука отражается принятое решение – обратная связь помогает настроиться на нужный лад. А в результате на новом кресле можно хоть слалом между стульев выполнять.
У кресла «Тойоты» точность распознавания команд инвалида составила 95{2c9f5a9acbd0926bbe8a0d926aa2950b908768febc48b35b0937e3e268547932}. Секрет, как поясняет компания, заключается в новых алгоритмах разделения полезного сигнала и шума, а также – в некой пространственно-временной фильтрации сигналов мозга.
Tongue Drive – управление языком. Оно, конечно, не имеет никакого отношения к чтению мыслей (даже такому поверхностному, как в предыдущем примере), но для внешнего наблюдателя выглядит точно также. А для пациента куда важнее, что новый способ проще и дешевле ЭЭГ.
Построили языковой интерфейс в технологическом институте Джорджии. А недавно этот аппарат прошёл клинические испытания с реальными пациентами. И пострадавшие от травмы спинного мозга отметили, что система Tongue Drive – проста в понимании и освоении.
Работает система так. На кончик языка приклеивается крошечный магнит (размером с зёрнышко риса). Пациенту надевают наушники, снабжённые беспроводным каналом связи с ноутбуком (последний управляет креслом), и главное – целым набором сенсоров магнитного поля, с высокой точностью определяющих перемещение языка во рту. Так смещение кончика языка правее или левее, а также – выше или ниже, интерпретируется компьютером как перемещение курсора по экрану (например, для навигации по меню), либо, как команды креслу.
Так что языковой интерфейс одним выстрелом убивает двух зайцев. Один и тот же набор электроника-софт позволяет инвалиду управлять компьютером или своей электрической повозкой.
Для тренировки языка пользователям предлагали даже играть им в компьютерные игры – смещением «языкового курсора» инвалид должен был как можно быстрее провести точку через лабиринт на экране, или отбить летящий мячик. Далее пациентам предложили пройти настоящий лабиринт – трассу, выложенную на баскетбольной площадке. Сначала парализованные испытатели объезжали все препятствия в дискретном режиме. То есть «поворот влево – стоп — немного вперёд – стоп — поворот вправо – стоп — ещё вперёд — стоп» и так далее. Но после освоения техники «языкового пилотирования» инвалиды ухитрялись проезжать всю трассу без остановок, хотя и с некоторыми ошибками.
После ряда испытаний с несколькими людьми, учёные из политеха Джорджии установили, что средняя скорость при дискретном режиме движения составила 5,2 метра в минуту при среднем числе столкновений 1,8. В непрерывном режиме скорость поднялась до 7,7 метров в минуту при среднем числе столкновений 2,5 на один заезд.
В будущем сенсоры магнита можно будет уменьшить, так что они тоже незаметно впишутся в ротовую полость, сообщают учёные. С учётом беспроводной связи с инвалидной коляской, такой интерфейс может оказаться ничем не хуже мозгового.
Но всё же, так хочется научиться считывать с мозга большое количество команд. Ведь подобное продвижение к киборгизации для многих людей – единственный путь к более активному общению с миром.
А помните, что мы говорили о недостатках систем ЭЭГ? Слабые сигналы и погрешности в позиционировании не позволяют значительно нарастить тонкость распознавания сложных мыслей. Есть альтернатива – помещение электродов непосредственно в мозг. Но, во-первых, это сложная и опасная операция, во-вторых – существует риск травмы, которая нарушит важные нейронные цепи пациента, в-третьих, любое вторжение в мозг – это риск инфекции. И вот теперь учёные из университета Юты создали технологию, способную совместить тонкость считывания как у погружённых электродов с безопасностью почти такой же, как у электродов ЭЭГ, сидящих на простой шапочке.
Как сообщает команда разработчиков, новинка представляет собой массив легчайших и почти незаметных простым глазом микроэлектродов, предназначенных для снятия электрокортикограммы. И главное – помещаются они на поверхность мозга (под черепную коробку), но при этом ни на йоту не погружаются в мозг как таковой. Такие микроэлектроды учёные поместили в определённые зоны на поверхности мозга эпилептиков, чтобы выявить участки, неправильная работа которых провоцирует приступы.
Новые электроды столь малы, что могут фиксировать сигналы от очень небольших групп клеток, что в будущем позволит, к примеру, провести операцию по удалению крошечного участка мозгового вещества. А чем меньше будет такой удаляемый участок, тем лучше. В испытаниях на добровольцах авторы технологии варьировали расстояние между соседними микроэлектродами в группе, выявляя наиболее оптимальную дистанцию для считывания различных сигналов без перекрёстных помех. Она оказалась равна 2-3 миллиметра.
Для того, чтобы выявить, насколько массив микроэлектродов способен вычленять тонкие мозговые сигналы из общего потока, учёные просили пациентов поработать с компьютерной мышью, а сами в это время записывали показания сенсоров, размещённых на поверхности мозга, в зоне, ответственной за моторику рук. Компьютерные вычисления показали, что точность снятия сигналов достаточно высока, чтобы машина могла определять движение руки по одним только показаниям микроэлектродов.
А это значит, что в будущем данная технология вполне может вылиться в кибер-интерфейс, позволяющий парализованным пациентам управлять техникой (или протезами), немым – разговаривать с помощью синтезатора голоса и так далее. Причём микроэлектроды позволяют снимать сигналы с мозга в реальном времени, что и необходимо для такого рода приложений.
https://www.membrana.ru/articles/health/2009/07/07/192300.html
https://www.membrana.ru/lenta/?9002
https://www.membrana.ru/lenta/?5996
https://www.membrana.ru/articles/health/2003/08/27/201600.html