Нейроинтерфейсы: как подключить мозг к компьютеру

Мы живем в увлекательную эпоху, когда технологии, которые казались еще 10-20 лет выдумками научной фантастики, входят в повседневную жизнь и становятся неотъемлемой частью реальности. Одним из ярких примеров таких технологий являются нейроинтерфейсы. На первый взгляд, это просто метод взаимодействия человека с машиной, но на самом деле это нечто более революционное.

Что такое нейроинтерфейсы и какие функции они выполняют?

Нейронный интерфейс (нейроинтерфейс), или интерфейс мозг-компьютер, представляет собой систему, позволяющую человеку связываться с компьютером и другими девайсами без использования рук. Связь с мозгом происходит не на уровне мышц, а напрямую: либо путем имплантации датчиков внутрь мозга, либо с помощью внешних устройств. В последнее десятилетие наметился очередной подъем в исследованиях в этой области: например, американский предприниматель и изобретатель Илон Маск недавно анонсировал выход Neuralink — интерфейсов для сверхбыстрого взаимодействия между компьютером и человеческим мозгом. 

Пример работы инвазивного нейроимплантата Neuralink. Источник: sntch.com

История развития подобных приборов началась примерно в 1875 году, когда английский доктор Ричард Катон обнаружил, что на поверхности мозга обезьян и кроликов есть слабое электрическое поле. Если заглянуть в современный учебник биологии, можно увидеть, что все сигналы тела передаются через нервные импульсы. А нервные импульсы — это не что иное, как электрический ток. Первое теоретическое обоснование данных процессов было сделано русскими учеными Иваном Михайловичем Сеченовым и Иваном Петровичем Павловым, которые изучали физиологию человека и регуляцию поведения посредством внешних раздражителей. Так, сформулированная в начале прошлого века теория об условных рефлексах, по сути, лежит в основе работы современных нейроинтерфейсов.

В 1950 испанский нейрофизиолог Хосе Дельгадо создал стимосивер — первый нейроинтерфейс, представляющий собой электроды, вживляемые в мозг и пульт дистанционного управления. В результате он по сигналу мог заставить кошку самопроизвольно поднимать заднюю лапу. Чуть позже стимосивер был вживлен в мозг быка, который по команде останавливал атаку на матадора. Позднее ученые всего мира пытались наиболее точно вводить различные датчики в тела животных. Например, в эксперименте на лабораторных шимпанзе их заставляли манипулировать роботизированными руками силой разума для того, чтобы те могли получить настоящие бананы. Однако на момент разработки подобных интерфейсов существовала большая проблема — электронные компоненты, необходимые для адекватной работы устройств, могли занимать огромные площади, размером с комнату. На сегодняшний день эта проблема решена: большая часть необходимых деталей девайсов теперь не просто умещается на ладони, но и часто не видна при первом взгляде! 

Какие проблемы может решить эта технология?

Хорошо известно, что мозг можно разделить на зоны, которые будут отвечать за определенный функционал. Например, есть моторная кора, которая отвечает за движение. Поэтому смысл работы нейроинтерфейса в том, чтоб уловить сигнал, который идет сквозь нейроны в определенные области мозга и таким образом понять, что хотел сделать подопытный. А дальше уже можно отправлять команды как на компьютер, так и на внешние устройства, например, роборуку. Или можно подать ток на такие участки мозга, чтобы, наоборот, сымитировать нервный импульс и заставить человека или животное что-нибудь почувствовать.

Другим языком, нервная система генерирует, передает и обрабатывает электрохимические сигналы в разных частях тела. «Электрическая часть» этих сигналов может быть «прочитана» и «интерпретирована» специальным оборудованием — нейроинтерфейсами. 

Есть и другие медицинские устройства, собирающие сигналы о состоянии и структуре мозга, но имеющие ряд недостатков: к примеру, приборы магнитно-резонансной томографии (МРТ) слишком громоздки, а использующиеся реагенты для визуализации мозговых процессов, могут быть вредны для человека. Но с развитием портативных нейроинтерфейсов для этих целей стало возможным использовать крошечные датчики и не повреждать организм при исследовании, что является большим преимуществом данной технологии. 

В повседневной жизни мы можем найти один из таких приборов в кабинете невролога. Он представляет из себя резиновую шапочку с кучей датчиков и проводов, прикрепленных к ней, и называется устройством для электроэнцефалографии (ЭЭГ). В основном, такое устройство служит для диагностики физиологических нарушений, но некоторые его модификации используются и при решении терапевтических задач.

Пример неинвазивного датчика, проведение ЭЭГ. Источник: somnologist.ru

Виды нейроинтерфейсов

Есть много способов соединить «мысли» человека с поведением машины. Так, различают «прямые нейронные интерфейсы» и интерфейсы «мозг — машина». Последний тип является производным от первого и имеет дело только с мозгом. Прямые же нейронные интерфейсы работают с различными частями нервной системы. Бывают также однонаправленные нейроинтерфейсы, позволяющие только отправлять сигналы в мозг или только получать их. Двунаправленные устройства могут одновременно выполнять обе операции.

Датчики различаются по уровню «погружения» в организм. Различают  следующие типы:

  • неинвазивные датчики: электроды расположены на поверхности кожи или на специальной подложке, как те, которые используются в вышеупомянутой «медицинской шапочке»;

  • полуинвазивные датчики, которые расположены на поверхности открытого мозга или рядом с нервами;

  • инвазивные датчики, которые имплантируются непосредственно в мозг или нервы. Этот метод имеет много побочных эффектов, но тем не менее часто используется в лабораторной и клинической практике.

Во всех описанных выше вариантах специальные сенсоры (электроды) фиксируют электрическую активность нейронов, а затем алгоритмы обработки сигналов и машинного обучения измеряют и анализируют их. Чтобы обеспечить более высокое качество сигнала, датчики могут быть увлажнены специальными жидкостями. После регистрации и обработки нейронных сигналов специальное программное обеспечение дает наглядную визуализацию работы нервной системы.

Где применяются нейроинтерфейсы?

Нейроинтерфейсы чаще всего используются в экспериментах на лабораторных животных: мышам или шимпанзе вводят крошечные электроды, а затем контролируют  их зоны мозга или деятельность нервной системы. Собранные данные помогают проводить анализ мозговых процессов и проводить аналогии с работой нейронов человека.

Кроме того, нейроинтерфейсы очень часто используются в диагностике неврологических патологий. Если исследуемый человек получает результат, он может инициировать процесс, называемый нейробиоуправлением (биологической обратной связью). Электрические стимулы, подаваемые девайсом, «включают» дополнительный канал, отвечающий за саморегуляцию организма: сигналы нейроинтерфейса сходны реальным физиологическим и человек просто учится работать с собственным телом на примере этих искусственно введенных данных. 

Еще одно многообещающее применение — нейропротезирование, где ученые уже достигли определенных результатов. Если нет возможности «починить» поврежденные проводящие нервы в парализованной конечности, то можно ввести электроды, которые затем послужат для передачи сигналов мышцам. То же самое относится к так называемым кохлеарным имплантатам, которые помогают людям восстановить слух, и к нейронным имплантатам сетчатки, которые частично восстанавливают зрение. 

Активно применяются нейроинтерфейсы в индустрии развлечений. Манипулирование объектами и путешествия внутрь игровых пространств с помощью этих девайсов уже вполне реально: способность устройства считывать сигналы дополняется противонаправленным процессом их передачи обратно, что означает множество захватывающих возможностей для реализации игрового процесса даже внутри самого организма! Представьте, что во время пребывания у себя дома на кровати или в специально оборудованной капсуле на гейм-площадке с помощью нескольких датчиков можно будет подключиться к другим удивительным мирам и путешествовать по ним. Напоминает сюжеты фантастических фильмов, таких как Матрица, не правда ли?

Чтение мыслей

Можно ли читать мысли с помощью нейроинтерфейсов? Сигналы, которые мы получаем, не могут считаться мыслями как таковыми — это просто следы, отпечатки активности нервной системы, усиленные шумами и доставленные в компьютер на секунду позже. Поэтому нельзя «читать» то, что думает другой человек. Кажется невозможным уловить хоть одну мысль в этом огромном потоке информации. 

С другой стороны, существуют исследования, «расшифровывающие» снимки мозга, полученные при помощи магнитно-резонансной томографии. На них можно увидеть изменения мозговой активности, возникающие при определенных мыслительных операциях. Их можно использовать для объединения данных в одну общую картину: например, при анализе информации можно увидеть активность лобной доли головного мозга, а при прослушивании музыки «включится» зона мозга у виска. 

Недавно ученые из Калифорнийского университета разработали инвазивный способ прочтения мыслей. Вживленные датчики такого нейроинтерфейса могут распознавать около 250 слов, применяя специально обученную нейросеть для интерпретации сигналов. Так что вполне возможно, что вскоре люди смогут общаться при помощи мыслей таким опосредованным способом.

Источник: zdrav.fom.ru

Как нейроинтерфейсы помогают в реабилитации?

В последнее время появляется все больше разработок, направленных на улучшение качества жизни пациентов, перенесших инсульт и другие болезни, повлиявшие на подвижность тела и чувствительность. Например, российский стартап iBrain продвигает технологии нейрореабилитации, основанные на методах стимуляции определенных зон мозга, а также тренировок с помощью биообратной связи. Компания предлагает индивидуальные нейротренировки, которые помогают организму ускоренно восстановиться за счет стимулирования моторных зон головного мозга. Данная технология уже запатентована и применяется в клиниках для лечения инсульта и черепно-мозговых травм.

Что касается инвазивных методик, то ученые из университета Вашингтона смогли внедрить в мозг животных биосовместимый имплантат и управлять им удаленно при помощи смартфона. В будущем этот способ может помочь в лечении возрастных поражений мозга.

Многие стартапы и научно-исследовательские центры по всему миру возлагают большие надежды на эти разработки — такие технологии позволят людям с ограниченными возможностями восстановить утраченные функции, улучшить реабилитацию человека. Однако есть и противники, утверждающие, что их использование чревато юридическими и этическими проблемами.

Нужно помнить, что, как и любой другой сложный инструмент, такие устройства должны быть защищены от взлома и некомпетентности обывателей. Представьте, что вы используете имплантаты для улучшения своего зрения или слуховых способностей, а кто-то использует их для рассылки спама с помощью визуальной или слуховой рекламы или даже для передачи ложной информации (ведь компьютер, с помощью которого происходит поддержка работы этих интерфейсов, потенциально имеет доступ к интернету). И хоть сейчас таких возможностей редактирования сигналов нейроинтерфейсов не выявлено, можно предположить, что с развитием технологий эта потенциальная проблема станет вполне реальной.

Заключение

Существующие на данный момент нейроинтерфейсы могут принести пользу людям, поскольку они помогают восстанавливать контроль поведения и моторики тела. В случае пациентов, имеющих проблемы со зрением и слухом, нейронный интерфейс позволяет восстановить способность общаться. В будущем нейроинтерфейсы смогут помочь человеку с физиологическими нарушениями улучшить качество жизни и увеличить ее продолжительность, а также подарят человечеству новые варианты получения положительных эмоций с помощью искусственной стимуляции мозга.

COOKIE

Наш сайт собирает информацию с помощью файлов cookie, чтобы быть удобнее и настраиваться под ваши интересы. Цели использования файлов cookie определены в обработке своих персональных данных . Если вы согласны и дальше получать файлы cookie, пожалуйста, нажмите кнопку «Принимаю». Если вы не согласны или хотите решить этот вопрос позже, пожалуйста, измените настройки cookie в браузере.