"Это исследование полностью демонстрирует контроль мозга над каждым движением", - говорит Эндрю Шварц, глава группы исследователей и профессор Питсбургского университета.

В первой стадии эксперимента с макакой, компьютер полностью ассистировал ученым. Первые заключения ученые получили при помощи так называемого "машинного мозга", который демонстрировал на экране процесс работы механической руки, головного мозга обезьяны и его связи с протезом.

Удары, травмы спинного мозга и нервно-мышечные заболевания и т.д. калечат десятки тысяч человек ежегодно. В результате травм для пострадавших становятся недоступными простейшие действия - открыть двери, почесать спину, взять стакан воды и т.д.

Те же, кто страдает полным параличом, становятся, фактически, узниками своего дома. Инвалидного кресла и полностью зависимыми от других - их тело не слушается ни одной команды мозга и не реагирует на нервные импульсы.

"Эти пациенты все еще способны продуцировать мозговую деятельность и посылать нервые импульсы, в результате которых, обычно, возникает движение", - говорит доктор.

"Но их состояние не позволяет этим импульсам достигать мышц и активизировать их работу". Исследования Шварца дают возможность всем парализованным людям надеяться, что в один прекрасный день они смогут двигаться, пусть даже благодаря вмонтированному в головной мозг роботу. "Надеюсь, мы начнем имплантировать электроды в мозг человека втечение ближайших 2 лет", - заявил профессор.

В настоящее время доктор Шварц и его команда работают над улучшением искусственной руки, добавляя дополнительные чувствительные точки. "Это не значит, что нейропротез будет доступен в каждой клинике в ближайшее время. Остаются еще пара препятствий, которые нужно обойти, прежде чем запустить его в массовую продажу", - добавляет специалист.

Основными препятствиями пока что являются непродолжительность действия электродов (от 2 недель до месяца), недостаточная портативность протеза, и проблема отсутствия тактильной чувствительности.

Американские учёные разработали программу, которая распознаёт зоны возбуждения головного мозга и связывает их с восприятием различных предметов или понятий. Возможно, в будущем это приведёт к созданию аппарата, угадывающего мысли людей.

В отчёте, опубликованном в журнале Science, Том Митчелл (Tom Mitchell) и его коллеги из университета Карнеги-Меллон (Carnegie Mellon University) утверждают, что на основании установленных закономерностей для одних людей программа предсказывает, о чём думают другие.

Нейрофизиологи уже давно пытаются установить связь между функциональными состояниями центрального органа нервной системы и реакцией на те или иные предметы – то есть между "свечением" определённой зоны коры головного мозга и, например, "мыслями о молотке".

За последние несколько лет ряд исследований с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI) выявил закономерности в активизации отдельных областей коры в зависимости от того, какие предметы демонстрируют добровольцам.

Общий принцип действия здесь такой: мозг обрабатывает понятия ("молоток") или категории понятий ("инструменты") по-разному – в зависимости от того, как они связаны с сенсорно-моторными функциями.

Подопытных просят думать о каких-то свойствах объекта на картинке, причём в ходе нескольких сессий – эта концентрация последовательно задействует только "свою" часть нейронов.

Такие слова, как "молоток", например, вызывают свечение зон, ответственных за движение, а такие как "зáмок", активизируют участки, ответственные за обработку пространственной информации.

Несмотря на ряд значительных подвижек, до сих пор оставались невыясненными два ключевых вопроса. Во-первых, является ли активизация различных участков коры головного мозга единственным индикатором восприятия образов. Во-вторых, – по порядку, но не по значению – схожи ли ассоциации для разных людей. То есть можно ли на основании данных одного человека понять, о чём думает другой.

В ходе эксперимента учёным из Карнеги-Меллон удалось выяснить, что соответствия между объектами на картинках и церебральными возбуждениями возникают не только в коре головного мозга, но и в других его отделах.



На разные предметы мозг реагирует определённым образом – и это фиксирует томограф. В эксперименте принимало участие 12 участников: 8 женщин и 4 мужчины. Картинки им демонстрировались в течение 3 секунд с перерывом в 7 секунд после каждого очередного образа. Что интересно: часть понятий и предметов оказались более "устойчивыми" – то есть люди чаще реагировали на них схожим образом. Более подробный предварительный отчёт об исследовании, содержащий детальное описание условий эксперимента, вы можете найти в открытом доступе в публичной библиотеке PLoS (иллюстрация Mitchell et al.).

Самым же значимым результатом исследования явилось выделение зон активности – нервных структур (neural patterns), – которые возникали как реакция на различные изображения и были общими для большинства подопытных.

Другими словами, если вы детально исследуете соответствующие когнитивные паттерны одного человека, то сможете понять, о чём на самом деле думает другой. По крайней мере с помощью томографа. В общем, "Алиса, миелофон у меня!"

По словам Тома Митчелла, дальнейшая классификация состояний головного мозга, причём различных его отделов, позволит значительно продвинуться в диагностировании и лечении многочисленных типов психических расстройств – с помощью специального "кодирования" нейронов, которые теоретически должны реагировать особым образом в тех или иных ситуациях.

Бионическая кисть, в которой по отдельности работают все пальцы и которой инвалид управляет собственными миоэлектрическими токами, стала первым подобным продуктом, попавшим в серийное производство. Ныне более 200 человек смогли радикально улучшить свою жизнь, получив высокотехнологичную замену потерянной руке.

"Touch Bionics коренным образом изменила отсчёт для того, что является приемлемым протезом", — заявил доктор Джеф Робинсон (Geoff Robinson), председатель жюри MacRobert Award.



Одна из рук у этого человека — настоящая, а вторая — робототехническая. Попробуйте определить — где какая. Внизу: выглядит реалистично, а что под "кожей"? (фотографии Touch Bionics).

Можно ли сказать, что бионическая рука ни в чём не уступает природной? Конечно нет. Действует она всё же не столь ловко. Но на фоне биопротезов, созданных ранее, i-LIMB — настоящий прорыв, особенно ценный, поскольку является не "лабораторным образцом", а коммерчески доступным продуктом.

На сайте компании выложены ролики, показывающие руку-протез в действии. Человек может такой рукой взять со стола различные предметы, придерживать их, в то время как здоровая рука выполняет какие-то действия. Более того, в одном из роликов инвалид при помощи биоруки заряжает патроны в ружьё, а на другом — робототехническая рука "помогает" настоящей завязывать галстук.

При этом i-LIMB способна не только на тонкие действия (скажем, взять ключ, вставить в скважину и повернуть его), но и на "силовые" (подъём сумок умеренной тяжести).

Ныне Touch Bionics работает над полным бионическим протезом руки. По словам представителя фирмы, у них уже есть опытный образец с запястьем, локтём и плечом.

Для работы BCIM требуется сигнал от электродов, прикрепленных к голове пользователя. На экране одна за другой загораются ноты. Композитор должен думать о той, которую он хочет записать. Когда эта нота появляется на экране, устройство фиксирует неосознанное изменение сигнала мозга и проигрывает ноту.

Предполагается, что устройство будет востребовано композиторами с рассеянным склерозом и другими заболеваниями, исключающими создание музыки традиционными способами. BCIM уже работает сравнительно точно. На демонстрации для BBC News устройство угадало 6 из 8 нот, задуманных Грирсоном.

Грирсон далеко не первый ученый, исследующий механизмы мысленного управления компьютером. Токийские исследователи уже демонстрировали механические манипуляторы, управляемые при помощи сигналов мозга. Американская компания Emotiv намерена к концу года выпустить нейрошлем EPOC для управления играми, основанный на том же принципе анализа энцефалограммы.

Существует нечто большее, чем мысли, но нечто меньшее, чем речь: желание что-то сказать. Когда мы хотим произнести фразу, но говорим ее не вслух, а про себя, наш мозг успевает послать сигнал к мышцам безмолвного голосового аппарата. На этой тонкой грани работает прибор Audeo, который позволяет практически силой мысли управлять моторизированным креслом или произносить синтетическую речь посредством компьютера

На мартовской конференции по электронике в Хьюстоне, проведенной под патронажем компании-производителя микрочипов Texas Instrument, выпускник Университета Иллинойса Майкл Каллахэн из компании Ambient продемонстрировал уникальную разработку – прототип программно-аппаратного комплекса Audeo для преобразования электрических импульсов мышц речевого аппарата в синтетическую речь. На глазах специалистов впервые в истории был осуществлен телефонный звонок, при котором один из собеседников не произнес ни слова вслух, но его визави услышал в трубке мысленно сказанную фразу. Audeo смог прочитать мысль!

Перехват в пути

К телепатии это не имеет никакого отношения. Принцип работы Audeo довольно прост и основан на глубоком знании механизма действия речевого аппарата человека. Нейрофизиологам давно известно, что внешняя речь, когда человек произносит какие-либо слова, и речь внутренняя – словесное мышление или чтение книг – заметно отличаются друг от друга по степени вовлечения в процесс речевых центров головного мозга. Всего этих центров три. Сенсорный центр речи Вернике, расположенный в заднем отделе верхней височной извилины доминантного полушария (у правшей – левого), отвечает за восприятие и многоуровневый анализ речи, в том числе – собственной. Моторный центр Брока, находящийся в задней части нижней лобной извилины, регулирует движения мышц речевого аппарата и управляет дыхательной мускулатурой. В единое целое их связывает третий центр – ассоциативный. Он расположен в нижней теменной доле. Благодаря колоссальному количеству связей он координирует взаимодействие чувствительного и двигательного центров и отвечает за правильный подбор слов, построение фраз и предложений.

Каждое слово, сказанное нами, рождается в центре Вернике, приобретает четкую форму в ассоциативном центре и произносится благодаря нервным импульсам, которые центр Брока посылает на речевую мускулатуру. Когда мы размышляем про себя, используя слова или отдельные фразы, моторный центр бездействует. Если мы сосредоточимся на произнесении определенного слова, то центр Брока тут же отдаст через нейроны соответствующую команду речевой мускулатуре. При этом совсем не обязательно говорить это слово вслух!

Майкл Каллахэн попробовал с помощью чувствительного сенсора уловить слабые электрические импульсы, возникающие в мышцах гортани и голосовых связок при мысленной речи, и декодировать их в синтетическую компьютерную речь. В состав Audeo входит сенсорное устройство, надеваемое на шею, которое улавливает электрические сигналы, декодирует их и передает на компьютер. Затем полученная информация обрабатывается специальной программой и преобразуется в речь или условную команду для кресла с электрическим приводом.
Владимир Санников

Затем учёные снабдили запястье обезьян электростимулятором и соединили его с компьютером, получавшим сигнал с моторной коры. Нормальный путь нервных сигналов от мозга к руке временно блокировали (уколом специального препарата). И, наконец, переключили видеоигру теперь уже действительно на джойстик.

Обезьян нисколько не обескуражили все эти перемены — они продолжили играть как обычно, доказав, что мозг их успешно управляет парализованной конечностью через компьютерный интерфейс.

Ранее некоторые научные группы показывали возможность снятия сигналов с моторной коры головного мозга, которые затем управляли манипулятором робота. Другие демонстрировали возможность функциональной электростимуляции определённых мышц, под управлением компьютера (без участия мозга). Но впервые, как сообщает PhysOrg.com, оба этих подхода были совмещены.

Technology Review приводит потрясающие детали эксперимента. Дело в том, что исследователи заранее не знали в точности — какие именно нейроны моторной коры им нужны, – и устанавливали электроды наугад (в нескольких опытах по-разному).

Оказалось, что все нейроны в моторной коре, которые проверили исследователи, могли быть успешно задействованы для управления данной видеоигрой.

Даже те нервные клетки, которые изначально не имели никакого отношения к движению запястья, после непродолжительного тренинга успешно были приспособлены для управления рукой. При этом обезьяна могла обеспечить независимый контроль над мышцами-сгибателями и разгибателями.

Как правило, движения рук — даже сокращение одной мышцы — это результат работы не одного нейрона в коре, но скоординированных действий многих нейронов. Ранее исследователи немало преуспели в том, чтобы снимать такие комплексные сигналы, сперва расшифровывать их, а уж потом преобразовывать в те же самые движения курсора на экране (этому обучали как обезьян, так и людей).

Но Фетц пошёл по другому пути: "Мы только создали связи между отдельными нейронами в головном мозге и отдельными мышцами. И пусть обезьяна сама узнает, как использовать это подключение", — пояснил учёный.

Опыт показывает, что у нейронов в моторной коре нет чётко предопределённых функций, и что кора обладает большой гибкостью в приспособлении тех или иных нейронов для управления конечностями.

А это значит, что будущие медицинские имплантаты для парализованных людей могут быть куда меньше и проще, чем предполагалось. Ведь им не придётся расшифровывать сложные картины активности сообщества нейронов (для чего нужны приличные вычислительные мощности).

Соединив клетки моторной коры с мышцами наугад, медики должны будут просто подождать, пока пациент обучится правильно контролировать свои конечности. Судя по обезьянам, такое приспособление может оказаться сравнительно быстрым.

Правда, от нынешних экспериментов на макаках до появления этой технологии в медицинской практике пройдёт ещё лет десять, предсказывает профессор Фетц.

(Подробности опыта можно найти в статье авторов опыта в Nature.)