Неврокомпютърен интерфейс
Как работи задвижваното от ума движение и на какво са способни управляваните от мозъка устройства
Със сигурност една от най-популярните теми в неврологията се превърна в интерфейса мозък-компютър. Или BCI (Brain-Computer Interface), както обикновено се нарича не само в чужбина, но и у нас. Какво е? Нека да го разберем и в същото време да разберем какви са последните постижения в тази посока.
Как работи?
За да стане възможен „контролът на ума“ (както BCI често се нарича в пресата), учените първо трябваше да направят няколко открития. И първо, да разберем, че нашият мозък по време на работата си има електрическа активност.
Самият факт е записан през 1875 г. от англичанина Ричард Като. Трябваше обаче да се научим да регистрираме тази дейност. Първата стъпка е направена от Владимир Правдич-Неймински от Киев, който през 1912 г. успява да запише мозъчната дейност на куче. Вярно, от отворения мозък, не през черепа.
Класическата електроенцефалография трябваше да изчака още 12 години. През 1924 г. германецът Ханс Бергер записва първото в света ЕЕГ и открива алфа и бета мозъчните ритми. В същото време се появиха електроди, които се прикрепят към кожата, а не се инжектират директно в мозъка. Вярно е, че признаването на този метод трябваше да чака дълго време. Само намесата на Нобеловия лауреат сър Дъглас Ейдриън, който повтори всички експерименти на Бергер, направи ЕЕГ призната в целия свят.
Тогава беше необходимо да се разбере, че е възможно да се научи как да се променят параметрите на ЕЕГ (както и други параметри на организма). И не само хората са способни на това - в един от експериментите през 60-те години на миналия век беше показано, че в името на храната плъхът може да промени налягането в опашната артерия. И по-късно стана ясно, чеедно шимпанзе може повече или по-малко съзнателно да манипулира дейността дори на един неврон.
Именно върху тези принципи и знания са изградени съвременните интерфейси мозък-компютър. Електрическата активност на мозъка се премахва от човек, докато той психически извършва определено действие. Например, той взема шахматна фигура и прави ход (мислено! Ръцете на човека са в покой в този момент). В електроенцефалограмата компютърът се опитва да изолира модели на движение от ЕЕГ - общи елементи от структурата на мозъчната дейност, които са характерни за определен елемент на движение.
След това електродите се свързват с устройството, което ще се управлява: протеза, екзоскелет, квадрокоптер, кола, инвалидна количка. И можете да започнете да мислите за движението по абсолютно същия начин. Компютърът вече знае моделите на движение, но на този етап се получава обратна връзка – самото движение. Тук вече можете да го коригирате малко и по този начин да „тренирате“.
Трябва да кажа, че за контролиране на сложни движения - говорим за протези - "обикновеното" ЕЕГ все още не е достатъчно. Твърде много шум, "каша" на сигнала не позволява фина настройка на движенията. Сложните устройства използват други методи за регистриране на мозъчната активност.
Може би с това започна бумът на подобни разработки. Разбира се, всички хора, които са загубили способността си да се движат, и хора, които искат да контролират нещо без помощта на ръцете си, ги очакват (в скоби отбелязваме, че невропилотирането - управление на превозно средство с помощта на интерфейса мозък-компютър - вече е влязло в програмата на шампионата по професии WorldSkills).
Какво е новото в света на BCI?
Всяка година оттогава в света се публикуват много произведения, които наистина могат да се нарекат пробивни, водещиинтерфейси мозък-компютър на ново ниво.
Ето само три резултата от миналата година, които отварят нови граници в изследванията.
Използвайки този интерфейс, пациентът можеше да движи отделни пръсти независимо един от друг. Вярно, трябва да бъдем честни - досега тестовете не са правени върху ампутиран, а върху пациент с две ръце, който движи пръстите на протеза, свързана с електродите.
Авторите на работата отбелязват, че предишните версии на протези, използващи интерфейса мозък-компютър, разбира се, можеха да движат пръстите си, но извършваха само координирани движения с цялата ръка: например, за да вземат бутилка с вода или топка за тенис.
Протезата усеща грапавостта.Швейцарски учени от École Polytechnique Lausanne създадоха бионичен протезен пръст, който предава информация за повърхностните текстури обратно на мозъка.
Изкуственият пръст се състои от силиконова протеза, сензор и микросхема, която преобразува сензорните сигнали в импулси, които са „разбираеми“ от нервите.
Електроди, свързани с периферната нервна система, бяха имплантирани в останалата част от лявата ръка на тестера с ампутирани крайници. След като свърза протезата към своите електроди, тестерът „на сляпо“ опипа специално подготвените пластмасови повърхности. В резултат на това той успя да различи правилно гладка повърхност от грапава в 96% от случаите.
Водач на макак.И, разбира се, най-забележителното събитие на годината е работата на Мигел Николелис и Михаил Лебедев от университета Дюк (САЩ), които научиха макаци да управляват инвалидна количка с помощта на интерфейс мозък-компютър.
Екипът на Николелис работи с две маймуни резус от 2012 г. Най-тънките електроди бяха имплантирани в кората на главния мозък на двете животни.електрическа активност на отделни неврони.
За маймуните е конструирана специална роботизирана "инвалидна количка", в която те са били здраво фиксирани. С изключение на ръцете - с тях те можеха да вземат грозде от купа, до която трябваше да стигнат. Количката може да се управлява от робота по зададена програма или по сигнали, предавани през Wi-Fi.
Първоначално маймуните (и самият интерфейс, разбира се) бяха „обучени“, като ги търкаляха с помощта на робот по даден маршрут от три различни начални точки. Пътеките бяха нарочно направени да се извиват, така че макаците да могат да се движат настрани и назад, за да коригират собствените си движения.
След това количката беше превключена за управление на интерфейса мозък-компютър. Първоначално макаците не се справяха много добре, но след тренировка нещата тръгнаха много по-добре.