«Мозг-компьютерные» интерфейсы позволяют двигаться и говорить с помощью силы мысли

Микрочип в коре мозга дает парализованному человеку возможность самостоятельно взять чашку кофе, а испытуемые в лаборатории играют в «Супер Марио», просто думая о движениях. О том, как это происходит, и о нейрокомпьютерных интерфейсах, разрабатываемых в НИУ ВШЭ, рассказала младший научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований Елизавета Окорокова в рамках проекта «Университет, открытый городу: Лекции молодых ученых Вышки в Культурном центре ЗИЛ».

Как устроены нейрокомпьютерные интерфейсы

Кэти Хатчинсон 15 лет назад попала в тяжелую автокатастрофу, из-за полученной травмы спинного мозга она оказалась полностью парализованной и лишилась речи. Много лет она провела недвижимой в инвалидном кресле, целиком завися от других людей. Но затем ученые из Университета Брауна начали разрабатывать «мозг-компьютерный» интерфейс, который позволил бы Кэти совершать мелкие движения с помощью роботизированной руки. В сенсомоторную кору ее мозга был внедрен микрочип, и в течение года Кэти училась управлять рукой-роботом силой мысли. Просто думая о том, что она двигает рукой, Кэти действительно двигала ею. Так, спустя 15 лет, она смогла самостоятельно взять и поднести к лицу термос с кофе и отпить из него.

По словам Елизаветы Окороковой, это был один из первых случаев, когда удалось восстановить моторные функции для полностью парализованного человека. На этом примере легко объяснить, что такое «мозг-компьютерный» интерфейс: это система, которая позволяет человеку управлять некой машиной (рукой-роботом, или инвалидным креслом, или гаджетом) с помощью сигналов своего организма (мозга). «Мозг-компьютерные» интерфейсы используются в клинических целях для восстановления пациентов, но не только. Здоровые люди хотят жить веселее и интереснее, поэтому крупные фирмы с помощью тех же технологий хотят разрабатывать различные гаджеты.

Как изучать мозг

Мозг — это «главный процессор» человека. Все функции мозга до сих пор не известны, ученые находятся лишь на пути к пониманию того, как и что он делает. Помимо собственно головного мозга ключевую роль играют центральная нервная система (добавляется спинной мозг) и периферическая нервная система, то есть нервы, а также органы зрения, обоняния и осязания. Человек рождается с фиксированным количеством нейронов (около 100 млрд). Эти клетки уникальны: они не восстанавливаются, зато могут друг с другом «общаться». Они объединяются в сети и сообщаются электронными импульсами — почти как в электрической цепи.

Есть два типа методов изучения мозга. Первый — инвазивный, путем изучения мозга изнутри во время операции или с помощью внедрения специального аппарат внутрь организма. Инвазивные методы хороши тем, что позволяют напрямую добраться до сигналов нервной системы и гораздо точнее их считывать. Но вскрывать мозг не всегда возможно и хочется. Тогда на помощь приходят неинвазивные методы. Среди них: электроэнцефалограмма (считывание электрических импульсов с поверхности головы), магнитная энцефалография (считывание магнитных полей с поверхности головы), МРТ (сканирование активности разных областей мозга), айтрекинг («слежение» за взглядом человека).

«Мозг-компьютерные» интерфейсы должны быть персонализированными. Нельзя просто перенести данные, полученные от одного человека, на другого пользователя и ожидать, что интерфейс сработает

Впрочем, самый известный широкой публике из неинвазивных методов — МРТ — не годится для создания «мозг-компьютерных» интерфейсов. Дело в том, что прибор для МРТ — слишком громоздкая конструкция, а интерфейс должен быть мобильным и портативным. Поэтому наиболее часто используется электроэнцефалограмма (ЭЭГ): ее устройство напоминает шапочку с электродами.

«Но на этом романтика заканчивается, — отмечает Елизавета Окорокова. — С помощью ЭЭГ вы получаете огромный массив данных, который нужно как-то обработать и отсеять лишние сигналы, чтобы понять, что же происходит».

Обработка данных ведется с помощью математических моделей. Нужные данные потом трансформируются и переносятся на интерфейс, который теперь может, например, «реконструировать» то или иное движение конечности.

Важный момент: «мозг-компьютерные» интерфейсы должны быть персонализированными. Нельзя просто перенести данные, полученные от одного человека, на другого пользователя и ожидать, что интерфейс сработает.

Как проводятся эксперименты

«Мозг-компьютерные» интерфейсы нуждаются в тестировании. Чтобы испытуемому во время экспериментов не было скучно, в лаборатории Вышки ему предлагают игровой формат. Например, силой мысли сыграть в «Супер Марио»: если испытуемый думает о правой руке, герой компьютерной игры бежит вправо, если о левой — налево. Проводят эксперименты и с «имитацией» большего количества движений: помимо рук добавляются ноги и даже язык.

Такие эксперименты, начинающиеся как игровые, в конечном счете востребованы в клиническом плане: управлять можно не только компьютерным персонажем, но и инвалидной коляской и другими приспособлениями, которыми пользуются пациенты с тяжелыми травмами. Эта система может позволить людям, лишившимся речи, общаться: их мысли будут трансформироваться во фразы.

Но что если проблема не в отказе спинного мозга и параличе, а в отсутствии какого-то органа чувств или конечности? Интерфейсы, способные заместить их, также разрабатываются в Вышке. В их основе — анализ сигналов миограммы (мышечной активности кисти руки и предплечья). Подробнее о проекте Елизаветы Окороковой и ее коллег, который должен привести к созданию интеллектуального протеза кисти, можно прочитать здесь.