ЭСКОРТ БЕЗ ПАЛЕВА

Мозговые имплантаты испытали на людях. Пациенты с параличом смогли поработать на компьютере

Проект австралийских учёных из Университета Мельбурна по внедрению имплантатов в мозг дошёл до стадии клинических испытаний на людях и показал впечатляющие результаты. Люди с поражёнными функциями двигательного аппарата смогли работать на компьютере вплоть до мысленного набора текста со скоростью до 20 символов в минуту. Разработка обещает получить одобрение для повсеместного использования через пять лет. Но и это ещё не всё.

Источник изображения: Paul Burston/University of Melbourne
Имплантат Stentrode. Источник изображения: Paul Burston/University of Melbourne
Проект «Stentrode» австралийских учёных финансируется Агентством передовых оборонных исследовательских проектов министерства обороны США DARPA. Целью разработок ставится управление экзоскелетами одними мыслительными усилиями. Также учёные решают задачу неинвазивного метода установки имплантатов или, проще говоря, без хирургического вскрытия черепной коробки пациента. Отметим, проект Neuralink Илона Маска практикует иной подход и предполагает вскрытие черепной коробки, хотя и довольно щадящее.

Австралийский имплантат Stentrode — это модернизированный коронарный зонд-стент для очистки кровеносных сосудов. В 2016 году stentrode был испытан на овцах. За последний год стентоды-имплантаты установлены двум пациентам в Австралии и готовится третья имплантация. Установка производится через разрез в артерии на шее пациента. Зонд имеет размеры обычной спички и заводится в зону коры головного мозга по артерии, что очень просто осуществить и легко переносится пациентом.

Данные с имплантата и передающиеся на него импульсы для стимуляции зоны коры головного мозга, связанные с мышечной деятельностью, передаются через датчик, закреплённый на груди. Сам датчик подключается к компьютеру. Пациент мысленно управляет конечностями, а система транслирует это в понятные программам команды. Как утверждают исследователи, это как научиться ездить на велосипеде — навык остаётся с вами навсегда.

Эксперименты показали, что пациент с имплантированным зондом может управлять компьютером и программами: создавать поисковые запросы, увеличивать изображения, управлять курсором и другими операциями. И всё это лишь силой мысли. Как сообщают разработчики, результат превзошёл ожидания.

Компании BrainGate удалось установить широкополосную беспроводную связь между мозгом человека и компьютером


Похоже, человечество делает успехи не только в плане освоения космоса. Люди с каждым годом все больше узнают о самих себе, используя это знание в разного рода практических проектах. Один из них — подключение мозга к вычислительным системам.

Всего через несколько месяцев после того, как Илон Маск продемонстрировал рабочий прототип чипа Neuralink, имплантированный сначала в мозг свиньи, а затем — обезьяны, компания BrainGate смогла достичь еще большего. Ученым и инженерам удалось установить беспроводную связь между человеческим мозгом и машиной. В эксперименте согласились принять участие два добровольца — парализованные из-за повреждений спинного мозга мужчины 35 и 63 лет.

Эксперимент доказывает возможность восстановления мобильности у парализованных пациентов — хотя бы за счет использования роботизированных и бионических протезов. Конечно, все это будет разработано лишь через несколько лет, но, в любом случае, надежда уже далеко не призрачная.

В целом, даже несколько лет назад беспроводную связь между мозгом человека и компьютером считали уделом исключительно научной фантастики. Но за короткое время сразу несколько компаний и научно-исследовательских организаций смогли добиться впечатляющих успехов.

Что предлагает BrainGate?

Компания разработала электродную матрицу, которая имплантируется в моторную кору головного мозга. Конечно, для этого требуется инвазивное вмешательство — пока без этого никак. Нейроны моторной коры действуют нормально, ведь они, в отличие от спинного мозга, не повреждены. Просто сигнал из головного мозга не поступает дальше места повреждения спинного мозга.

А значит, сигналы нейронов моторной коры можно принять, расшифровать и передать компьютеру, который их декодирует. Далее компьютер отправляет уже понятную команду манипулятору. В общем-то сигнал можно передать на любое внешнее устройство. А значит, человек, к мозгу которого подключен чип, сможет управлять любым совместимым с нейроинтерфейсом устройством — хоть кофеваркой, хоть протезом.


По словам ученых, сигналы фиксируются системой без проблем, передача тоже отлажена. Поэтому информацию с датчиков, соединенных с имплантированным чипом, можно передавать любым способом: как по проводам, так и без них. Последний способ во многих случаях гораздо удобнее, поскольку не требует физического подключения пациента к оборудованию.

Провода неудобны хотя бы тем, что пациент может управлять чем-то лишь в пределах помещения, где размещена система, к которой он подключен. Кроме того, постоянно нужен надзор, чтобы отключать провода после проведения тестов. В общем, особо функциональной проводная система быть не может. Легко представить, как кресло пациента наезжает на случайно упавший провод, лежащий на полу.

У беспроводной системы в этом случае одни преимущества. Пациенты могли использовать имплант круглые сутки (батареи хватает на 36 часов работы нейроинтерфейса). Данные передавались даже во время сна добровольцев.

Аналоги есть, но у чипа BrainGate высокая пропускная способность

Действительно, если даже не вспоминать о проводных системах подобного типа, есть и беспроводные аналоги. Но практически у всех очень низкая пропускная способность.

Пример — система Utrecht NeuroProsthesis. Здесь тоже чип, который имплантируется в мозг. Электроды выводятся через миниатюрное отверстие в черепе человека и подключаются к приемопередатчику. Тот усиливает сигнал и передает его на декодер, подключенный к компьютеру. Декодер служит в качестве системы связи между компьютером, которым управляет пациент, и человеком.

Проблемой этой системы является ее крайне малая пропускная способность. Она способна декодировать лишь сигнал вроде «да» и «нет» и больше ничего. Понятно, что для управления роборукой или, тем более, экзоскелетом Utrecht NeuroProsthesis не подходит. «Это двухпозиционный переключатель, его нельзя использовать для нормального управления ПК. Так что идея импланта, который передает абсолютно все сигналы моторной коры, — это отличная возможность достичь прогресса в области нейроинтерфейсов», — заявил создатель NeuroProsthesis.

«Мы продемонстрировали результаты тестирования системы, доказав, что наш проект эквивалентен проводным технологиям, которые долгое время были золотым стандартом производительности BCI», — отметил представитель BrainGate.

Neuralink, обезьяна и Pong

2fa33cc6a4859da4b01ff1e2e22bc3fc.jpg

Похожая система есть и у Neuralink, причем, как можно заметить на фото, никаких электродов на голове у обезьянки, в мозг которой вживлен чип нейроинтерфейса, нет. Благодаря чипу N1 Link с 1024 электродами девятилетняя макака смогла перемещать объекты на мониторе при помощи курсора. Сначала с подключенным к манипулятору кабелем, а затем — без него. Наверное, если бы обезьяна понимала, что без кабеля манипулятор бесполезен, то у нее ничего бы не получилось. А так — игра в Pong пошла не хуже, чем при подключенном кабеле.


Маск утверждает, что такая система позволит парализованному человеку набирать текст на экране компьютера гораздо быстрее, чем это делает здоровый пользователь пальцами. В перспективе Маск надеется на появление бионических систем, которыми можно будет управлять силой мысли. Теоретически, они помогут парализованным пациентам снова ходить. Ну или перемещаться каким-то иным образом.

Главный вывод из всего этого: научная фантастика уже давно стала реальностью. То, что рано или поздно ученые создадут системы для восстановления опорно-двигательных функций парализованных хотя бы частично людей, сомнений нет. Когда они будут созданы — другой вопрос.

Эта роботизированная рука, управляемая мыслью, может поворачиваться, брать предметы и даже ощущать их
Автор оригинала: Max G. Levy

Натан Коупленд научился управлять роборукой при помощи мысли, но движения были медленными. Теперь разработчики реализовали тактильную обратную связь.


Натану Коупленду было всего 18 лет, когда он попал в автомобильную аварию и оказался парализован. Несчастье произошло в 2004 году. С тех пор Натан практически не может двигаться и потерял чувствительность большей части тела. Правда, парализован он не на все 100% — сохранилась чувствительность запястий и нескольких пальцев. Также он может немного двигать плечами. В больнице он стал одним из участников экспериментального исследования.

Команде Питтсбургского университета был нужен доброволец для отработки системы мысленного управления роботизированным манипулятором. Задача была простой: научиться управлять роборукой, просто думая о разных движениях. Все это — одна из работ по созданию нейроинтерфейса, позволяющего управлять механизмами или ПО при помощи мысли. Подобные работы проводят и компании вроде Kernel или Neuralink Илона Маска.

Коупленду повезло стать участником эксперимента, поскольку обычно критерии для отбора добровольцев крайне жесткие. У человека должна быть травма определенного типа, плюс доброволец должен жить относительно близко к лаборатории.

Натан соответствовал всем требованиям, поэтому выбрали именно его. Вскоре новичку провели операцию, в ходе которой к его моторной (двигательной) коре и соматосенсорной коре подключили электроды нейроинтерфейса. При помощи последнего ученые считывали электрические сигналы мозга, в основном — те, что возникали при мысли о намерении совершить движение пальцами или запястьем. Эти импульсы трансформировались при помощи компьютерной системы и передавались в интерфейс управления манипулятором. После трех сеансов работы Коупленд научился работать с системой. В частности, он смог перемещать шарики и захватывать кубики со стола, просто думая об этом.

Но это было лишь начало. В исследовании, опубликованном на днях в Science, сообщается, в общем-то, сенсационная вещь: теперь доброволец ощущает прикосновения к предметам. Какого рода эти ощущения, не сообщается, да и передать словами подобные вещи сложно. Но то, что прикосновения роботизированного манипулятора к предметам ощущаются, как прикосновения к тем же предметам собственных пальцев, — это факт.

По словам разработчиков, скорость реакции и движений роборуки ускорилась — раньше движения были замедленными. Добровольцу приходилось смотреть на то, что делает манипулятор и продумывать действия, корректировать их. Сейчас же к процессу добавилось еще и осязание, которое позволяет действовать рефлекторно. В некоторых случаях скорость движений манипулятора после добавления тактильного отклика увеличилась в 2 раза. Эту разработку без преувеличения можно назвать прорывом в вопросе возвращения дееспособности парализованным людям.

По словам команды исследователей, осязание — важный фактор в вопросе восстановления подвижности. Когда человек ощущает прикосновения, он способен действовать быстрее. Визуальное наблюдение за процессом менее эффективно, чем тактильные ощущения и зрительный контакт. Более того, если есть осязание, зрительный контакт и вовсе может отсутствовать. Когда обычный человек взаимодействует с каким-либо объектом, действия в основном зависят от ощущений.

Мозг человека получает информацию, обрабатывает ее и отправляет сигналы дальше по телу. Обычное действие, вроде обхвата чашки пальцами, не такое уж и простое. Во время движения пальцев мозг корректирует действия руки. Когда пальцы прикасаются к чашке, мозг получает обратную связь в виде осязательных ощущений и направляет руку так, чтобы захват был максимально эффективным.

Поскольку мозг добровольца не был поврежден, в теории он мог поддерживать «осязательный контакт» с пальцами. К сожалению, большая часть электрических сигналов в нервной системе участника эксперимента не доходила от мозга до конечностей. Соответственно, исследователям пришлось разработать систему, которая позволяет симулировать тактильные ощущения. Основной задачей было сделать так, чтобы ощущения были реальными и совпадали с действиями манипулятора. Так, когда роботизированный мизинец касается предмета, Коупленд должен был это почувствовать собственным мизинцем.

Для обеспечения обратной связи Коупленду имплантировали еще несколько электродов. Два набора электродов отвечают за анализ сигналов мозга при мысли о совершении действия рукой и еще два — симулируют сенсорные ощущения. На самом деле, обеспечить ощущение прикосновения можно при помощи слабого электрического сигнала в электроде. Нужно было синхронизировать генерацию таких сигналов с движениями манипулятора.

Чтобы создать такую систему, исследователи воспользовались тем, что у Коупленда сохранилась чувствительность в большом, указательном и среднем пальцах правой руки. Исследователи прикасались к ним ватной палочкой и анализировали при помощи ЭКГ сигналы, а также зоны мозга, где эти сигналы возникают. В итоге удалось понять, какой участок мозга за какой палец отвечает. После этого ученые сгенерировали похожие сигналы и подали их на электроды. По отзывам добровольца, он чувствует, как что-то касается основания пальцев в верхней части правой ладони. Это может быть давление, тепло или просто необычное покалывание, но не боль.

До внедрения тактильной системы Коупленд неплохо справлялся с задачей захвата и перемещения предметов. Тренироваться пришлось пару лет, но результаты были отличными: в то время как обычному человеку на выполнение такой операции нужно около 5 секунд, Коупленду требовалось от 5 до 20 секунд. Дальнейшие тренировки результата не давали: доброволец как бы вышел на плато, без ухудшения или улучшения результатов.

Все изменилось после добавления тактильной системы. Как и говорилось выше, результат сходу удалось улучшить в 2 раза и более. Конечно, вновь пришлось тренироваться, с учетом того, что тактильные ощущения у Коупленда не точно такие же, как у здорового человека. Сам он говорит, что стал действовать гораздо увереннее даже в ходе первого теста, ведь не нужно было полностью полагаться на зрение.

Если обратной связи нет, приходится полагаться только на зрение. В этом случае человек сначала должен убедиться, что предмет действительно захвачен. Если да, то нужен постоянный визуальный контроль во время его перемещения.

По словам экспертов, создание реалистичных сенсорных сигналов — большая победа. Это означает, что ученые приблизились к задаче имитации естественных движений здорового человека. Важно, чтобы выполнение действия происходило без особых задержек. Тактильная обратная связь — как раз то, что помогает уравнять время, которое требуется на выполнение действия обычному человеку и человеку с повреждениями нервной системы.

У тактильной системы время обработки сигнала, лаг, составляет около 30 мс. У зрительной же системы — от 100 до 300 мс. Представьте, что вы пытаетесь ухватить скользкую чашку. Если задействовать лишь зрение, вы узнаете, что уронили ее, лишь после того, как увидите падающую чашку.

Несмотря на все успехи разработчиков, система все еще находится на стадии «лабораторного образца». Коупленд может работать с манипулятором лишь в лаборатории. Он не может носить его или брать с собой домой. Правда, у Коупленда есть упрощенная система, разработанная для того, чтобы он мог управлять личным ПК. Система достаточно продвинута, чтобы с ее помощью можно было играть в игры Sega Genesis на эмуляторе. Коупленд даже смог нарисовать котика и превратить его в NFT.


Еще одна проблема с системой в том, что она требует проводного соединения. Но эту задачу, кажется, решить проще, чем другие, — наработки беспроводных нейроинтерфейсов есть у многих компаний.

Последнее: тактильные ощущения у Коупленда при прикосновении к предметам роботизированной рукой не всегда соответствуют естественным. Поэтому и контролировать захват/перемещение предметов ему все же сложнее, чем обычному человеку.

Но, в любом случае, прогресс огромный. Можно уже с уверенностью говорить о том, что мозг человека по-прежнему привязан к его плоти, но уже не скован ею.