Устройства для чтения сигналов мозга, помогают парализованным людям двигаться, говорить и общаться тактильно | ГК ТРИММ
Устройства для чтения сигналов мозга, помогают парализованным людям двигаться, говорить и общаться тактильно
11 Мая 2022 image 1181.jpg

Человек с параличом управляет протезом руки, используя активность своего мозга.  Питт/UPMC

До сих пор подавляющее большинство имплантатов для долгосрочной записи сигналов отдельных нейронов производилось одной компанией: Blackrock Neurotech, разработчиком медицинского оборудования из Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Но за последние семь лет коммерческий интерес к использованию интерфейса мозг-компьютер (BCI) резко возрос. Коротко о ВСI: первое это нейрохирургическая операция по имплантации двух сеток электродов в кору головного мозга больного. Эти электроды будут регистрировать возбуждение нейронов в мозге, а исследователи создают алгоритмы для расшифровки мыслей и намерений пациента. Затем созданная система будет использовать мозговую активность человека для управления компьютерными приложениями и для перемещения протеза. В 2016 году предприниматель Илон Маск создал компанию Neuralink в Сан-Франциско, штат Калифорния, с целью действенного соединения людей и компьютеров. Компания привлекла 363 миллиона долларов США в эти разработки. Обратимся к истории создания этого метода.

В 2006 году в знаменательном документе 4 описывалось, как человек научился перемещать курсор по экрану компьютера, управлять телевизором и использовать роботизированные руки и кисти, просто думая. Исследование проводилось совместно с Лей Хохберг, нейробиологом и неврологом интенсивной терапии из Университета Брауна в Провиденсе, Род-Айленд, и из Массачусетской больницы общего профиля в Бостоне. Движения были медленными или неточными — или и то, и другое. Но это продемонстрировало, что можно передавать сигналы из коры головного мозга человека, который не может двигаться, и позволять этому человеку управлять внешним устройством». Это было первое из серии многоцентровых испытаний под названием BrainGate, которые продолжаются и сегодня. Сегодняшние пользователи BCI имеют гораздо более точный контроль и доступ к более широкому спектру навыков. 

image 1182.jpg

Отчасти это связано с тем, что исследователи начали имплантировать несколько BCI в разные области мозга пользователя и разработали новые способы идентификации полезных сигналов. Позднее больной использовал BCI для управления роботом-манипулятором, при помощи программного обеспечения Photoshop, играл в видеоигры («стрелял в них»), а сейчас и для вождения смоделированного автомобиля в виртуальной среде, изменяя скорость, управляя и реагируя на опасности. Всего в мире 35 человек, которым имплантировали BCI в мозг на длительный срок. Подобные исследования проводят всего около дюжины лабораторий, но их число растет. И за последние пять лет диапазон навыков, которые эти устройства могут восстанавливать, значительно расширился. В прошлом году ученые описали участника исследования, использующего роботизированную руку, которая могла отправлять сенсорную обратную связь непосредственно в его мозг 1; протез речи для человека, потерявшего способность говорить в результате инсульта 2; и человека, способного общаться с рекордной скоростью, воображая себя пишущим от руки 3. Один из подходов заключается в имплантации электродов, которые напрямую стимулируют мышцы собственных конечностей человека, а BCI непосредственно контролирует их. Это дает возможность зафиксировать нативные корковые сигналы, связанные с управлением движениями рук, обойти повреждение спинного мозга и перейти к управлению движением непосредственно от головного мозга к периферии. В 2015 году команда под руководством нейробиолога Роберта Гонта из Университета Питтсбурга в Пенсильвании сообщила об имплантации массива электродов в область соматосенсорной коры человека в области рук, где обрабатывается сенсорная информация 6. Когда они использовали электроды для стимуляции нейронов, человек чувствовал что-то похожее на прикосновение. Затем исследователи создали роботизированную руку с датчиками давления, встроенными в ее кончики пальцев, которые подключались к электродам, имплантированным в соматосенсорную кору, чтобы вызвать синтетическое осязание 1. Это было не совсем естественное чувство — иногда это было похоже на давление или покалывание, иногда это было больше похоже на зуд. Тем не менее, тактильная обратная связь сделала протез более естественным в использовании, а время, необходимое для поднятия объекта, сократилось вдвое, с 20 секунд до 10. Имплантация имплантов в области мозга, играющие разные роли, может добавить нюансов движениям другими способами. Нейробиолог Ричард Андерсен, который возглавляет исследование в Калифорнийском технологическом институте пытается расшифровать более абстрактные цели пользователей, подключаясь к задней теменной коре (PPC), которая формирует намерение или план движения 7. То есть она может кодировать мысль «Я хочу выпить», тогда как моторная кора направляет руку к кофе, а затем подносит кофе ко рту. Отдельные группы ученых занялись наружной имплантацией. Группа Чанга сначала работала над характеристикой части мозга, которая генерирует фонемы и, таким образом, речь — нечетко определенной области, называемой дорсальной корой гортани. Затем исследователи применили эти идеи для создания системы декодирования речи, которая отображала предполагаемую речь пользователя в виде текста на экране. В прошлом году они сообщили , что это устройство позволило человеку, потерявшему способность говорить из-за инсульта ствола мозга, общаться, используя заранее выбранный словарный запас из 50 слов со скоростью 15 слов в минуту.

image 1183.jpg
Нейробиолог Эдвард Чанг (справа) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско помогает парализованному человеку говорить с помощью мозгового имплантата, который подключается к компьютеру. Предоставлено: Майк Кай Чен/The New York Times/Redux/eevine.

Хотя такие достижения привлекли внимание средств массовой информации и инвесторов, эта область еще далека от внедрения в повседневную жизнь людей, которые потеряли способность двигаться или говорить. В настоящее время участники исследования используют BCI в рамках коротких интенсивных сеансов; почти все они должны быть физически подключены к группе компьютеров и контролироваться группой ученых, постоянно работающих над оттачиванием и повторной калибровкой декодеров и связанного с ними программного обеспечения.

Существующие системы Blackrock Neurotech используют четыре имплантированных электрода, которые подключаются через провода к миниатюрному устройству, но разрабатывается полностью имплантируемый беспроводной BCI, который будет проще в использовании и избавит пользователя от необходимости иметь порт в своем черепе.

Вывод BCI на рынок повлечет за собой преобразование индивидуальной технологии, проверенной на небольшом количестве людей, в продукт, который можно производить, внедрять и использовать в больших масштабах. Крупные испытания должны будут показать, что BCI могут работать в условиях, не связанных с исследованиями, и явно улучшать повседневную жизнь пользователей — по ценам, которые может поддерживать рынок. Сроки достижения всего этого неясны, но ученые настроены оптимистично.

Источник