Нейрокомп’ютерний інтерфейс, практика застосування та перспективи

Нейрокомп`ютерний інтерфейс
image_pdfimage_print

Рimagesозробка різних варіантів інтерфейсу «мозок–комп’ютер» (BCI) в останні роки перестала бути чисто експериментальним напрямком і знаходить все більше практичне застосування. Які були очікування, що вдалося втілити вже зараз і чого чекати від цієї технології в найближчому майбутньому?

Методи реєстрації електричної активності мозку були розроблені в 1929 році німецьким фізіологом Гансом Бергером. Вже в тридцяті роки електроенцефалографія стала сприйматися не тільки як діагностична процедура, а як щось набагато більш універсальне і перспективне. З’явилася навіть ідея читати думки і використовувати електроенцефалограму для уявного управління зовнішніми пристроями. Незважаючи на значний інтерес, помітних успіхів у розшифруванні окремих сенсорних імпульсів і керуючих сигналів мозку вчені досягли тільки до сімдесятих років. Великий внесок внесли дослідження Наталії Петрівни Бехтерової і роботи Едмонда Девана. Приблизно тоді ж стало остаточно ясно, що реєстрація потенціалів ніякого відношення до читання думок не має навіть у перспективі. Зате була показана можливість розпізнавати шаблони сумарної електричної активності мозку і використовувати їх для формування уявних наказів електроніці. Повсюдне поширення персональних комп’ютерів сильно прискорило прогрес в даній області. Одним з перших практичних застосувань BCI вважається «віртуальна клавіатура» Фарвеля і Дончина, створена в 1988 році.

З середини дев’яностих почався справжній бум розвитку нейрокомп’ютерних інтерфейсів. Вони стали улюбленою темою фантастів, але реальність деколи перевершувала очікування. Наприклад, роботи стали слухатися не тільки уявних наказів від знаходиться поблизу людини, але і сприймати відправляються через інтернет команди від віддалених на багато кілометрів лабораторних тварин. Весь цей час робилися спроби пристосувати BCI для більш актуальних практичних завдань. Основним напрямком була обрана реабілітаційна медицина. За допомогою інтерфейсу «мозок-комп’ютер» багато наукових колективів намагалися повернути таким, що втратили кінцівки або паралізованим людям здатність до руху.protez

Раніше описувалось про те, як інтерфейс BCI допомагає паралізованим людям знову вчитися ходити, створюючи обхідний шлях для нервових імпульсів до нижніх кінцівок. Крім відновлення моторних функцій активно велися розробки і в напрямку сенсорних. Десятиліттями групи вчених намагалися наділити сліпих хоч якимось подобою зору.

У кожному з цих напрямків сьогодні є помітні успіхи, але складнощів у практичному застосуванні ще маса. Головні з них стосуються великих габаритів всієї системи, малого часу її автономної роботи і численних провідних підключень. З цієї причини, а також через високу вартість такі пристрої досі поодинокі. Навесні 2013 року стало відомо, що дослідники з університету Брауна (штат Род-Айленд), схоже, змогли вирішити багато з зазначених проблем. Колективу вчених вдалося створити перший бездротовий імплантується інтерфейс «мозок-комп’ютер».

Новий BCI працює та безконтактно заряджається від автономного джерела живлення. Крім мініатюрності він відрізняється мобільністю, можливістю довготривалого використання і надійністю передачі сигналів, в порівнянні з дротовою реалізацією. У дротових варіантах кабелі обмежували можливості дизайну і задавали жорсткі рамки для самих умов випробувань. Добровольці фактично були прив’язані до крісла, тому раніше експериментальна частина зазвичай обмежувалася аналізом електронних графіків при виконанні ними простих рухів. Тепер, завдяки бездротовому інтерфейсу, з’явилася можливість сконцентруватися на вивченні роботи мозку під час складних процесів в більш природних умовах і реальних сценаріях. Бездротова реалізація BCI була успішно випробувана на свинях і мавпах протягом більше 13 місяців. Наступний крок – випробування на добровольцях.

Електроніка нового інтерфейсу (за винятком мікроантен) розміщується в герметичному титановому корпусі. Вона живиться від літійіонної батареї з індуктивним схемою зарядки. Чіп з’єднується з різними відділами кори великих півкуль головного мозку за допомогою мікроелектродів. Електроди імплантуються в соматосенсорні і рухові області кори, відповідно передаючи сигнали від органів почуттів і керуючі команди мозку.

Від чипу оцифровані дані передаються на частоті 3,2 і 3,8 ГГц зі швидкістю 24 Мбіт/с на розташований поблизу комп’ютер. Споживана потужність трансмітера складає всього 100 мВт, тому двогодинної індуктивної зарядки всій імплантованій частині системи вистачає на шість годин безперервної роботи. Дослідникам вдалося навіть створити і вживити мініатюрну систему водяного охолодження для того, щоб нагрівання приладу під час зарядки не викликав неприємних відчуттів.

Виконана робота важлива не стільки для виконання більш складної експериментальної частини, скільки для потреб практичної медицини. В рамках іншої ініціативи того ж університету (BrainGate) розробляється інтерфейс управління роботизованими маніпуляторами «силою думки». Його більш складний варіант буде використовуватися для контролю рухів власних рук в осіб з травмою шийного відділу хребта. У перспективі таке застосування інтерфейсу «мозок-комп’ютер» зможе поліпшити якість життя тисяч людей. Звичайно, до чудес симбіозу з комп’ютером ще дуже далеко. Поки всі ці системи виглядають вкрай незграбно, однак позбавлення від проводів вже може істотно підвищити зручність роботи з ними.

На даному етапі дослідники з Пітсбурзького університету розробили, так званий, «непомітний невральний інтерфейс», що складається з одного проводу з вуглецевого волокна, покритого речовинами, які захистять його від впливу білків головного мозку. Діаметр електрода, розробленого для передачі сигналу від усього одного нейрона, становить близько 7 мікрометрів. Це найтонше провід, створений на сьогоднішній день: він у 3,5 рази тонше попередніх рекордсменів і у 100 разів тонше звичайних електродів, за допомогою яких вивчають мозок тварин.

За словами Такасі Кодзаї, що очолює групу дослідників, вченим потрібен надтонкий електрод, здатний пропрацювати до 70 років. З їхньою допомогою буде покращено інтерфейс мозок-комп’ютер, завдяки якому люди силою думкою зможуть керувати роботичними кінцівками або комп’ютерною мишею.

i-cb32cbe301a25c3f2df399b1fc2538ce-good electrode

Електрод, використаний пітсбурзькими вченими, був розроблений у Мічиганському університеті.

Звичайні електроди, що вживляються у мозок, перестають працювати через кілька років, оскільки вони заростають шрамовою тканиною. Більш тонкі проводи, як видно, мозок «ігнорує». Крім цього, їхні кінчики покривають полімером, який покращує прийом та передачу сигналу.

Крім створення ефективних систем перетворення сигналів, «прослу- ховування» одиночних нейронів завдяки надмалому діаметру електродів дозволить відповісти на низку найважливіших питань про взаємодію та принципи роботи цих клітин у головному мозку.

З урахуванням таких умов не повинно дивувати, що своїм найближчим завданням розробники вважають таке удосконалення системи, щоб електроди не вимагали прямого контакту зі скальпом. Неминуче при цьому ослаблення реєстрованих сигналів можна спробувати компенсувати за рахунок розвитку методів їх обробки. Зараз ці методи розвиваються дуже швидко і навіть фахівці, які традиційно працюють з імплантованими електродами, визнають, що в області неінвазивних (нетравматичних) методів аналізу роботи мозку зараз спостерігається дуже швидкий прогрес. Свідоцтвом тому нова німецька розробка „mental typewriter”.

Посилання на першоджерела:

Успішний розвиток технології мережевого типу інтерфейсу мозок-комп’ютер, для підтримки в повсякденному житті

Brain–computer interface

Scienceblog

Hacking the Human Brain: The Next Domain of Warfare

Автор публікації: студент 312 навчальної групи Хіміч О.О.

Не виявлено подібних заголовків статей...