Нейрокомпьютерные интерфейсы
Новейшие технологические прорывы привели к развитию приборов, способных считывать электрическую активность мозга и переводить ее на язык сигналов, управляющих внешними устройствами. Такие интерфейсы «мозг-компьютер» уже есть в широкой продаже в игровой промышленности и могли бы помочь людям с травмами позвоночника управлять протезами или вернуть себе власть над парализованными конечностями.
Всего 15 лет назад сама идея повелевать внешними устройствами при помощи силы мысли казалась чем-то из сферы научной фантастики, но в наши дни это возможно — благодаря нейрокомпьютерным интерфейсам (НКИ). НКИ — приборы, расшифровывающие нейронную деятельность и переводящие ее в сигналы, которые управляют разными устройствами — например, рукой робота. По сути, это установление проводной связи между мозгом и компьютером — введением электродов в мозг или же безоперационно, посредством электроэнцефалографического шлема: таким образом, активность мозга, связанная с планированием произвольных движений, может быть направлена на внешнее устройство.
НКИ созданы на основе позднейших достижений нейробиологии, информатики и микроэлектроники. За последние 30 лет нейробиологи добились очень многого в понимании, как группы нейронов двигательной коры производят движение, — в основном благодаря работам с введением электродов в мозг обезьян. В то же время ученые разработали микроэлектроды, способные регистрировать активность мозга с большей точностью; совершенствуются и компьютерные алгоритмы, расшифровывающие и передающие сигналы деятельности мозга.
К тому же развитие робототехники привело к созданию изощренных искусственных конечностей с независимо движущимися сегментами, а это — вкупе с НКИ — увеличивает вероятность восстановления двигательных способностей тяжело парализованных пациентов. Меж тем некоторые компании, производящие электронику, уже выпустили дешевые НКИ — приложения к компьютерным играм.
Сила мысли
Один НКИ — «БрейнГейт» — недавно опробовали на людях. Этот прибор, разработанный учеными Университета Брауна, состоит из матрицы в 96 кремниевых микроэлектродов, каждый всего 1 мм в длину и тоньше человеческого волоса, прикрепленных к кабелю, соединяющему их с компьютером. В 2005 году 25-летний Мэтью Нэйджел, парализованный на четыре конечности, стал первым пользователем этого прибора. За пять лет до этого Нэйджел пережил нападение, и ножевое ранение, перебившее ему позвоночник, привело к полному параличу всех конечностей. Исследователи имплантировали Нэйджелу электроды в двигательную кору и научили пользоваться этим приспособлением. Всего за несколько минут Нэйджел усвоил, как контролировать движения при помощи курсора на компьютерном экране одной лишь мыслью о желательном движении, что позволило ему писать электронные письма и пользоваться пультом от телевизора. Прибор подсоединили и к роботизированной руке, и Нэйджел смог управлять ею и совершать некоторые простые движения.
«Это научная фантастика, воплощенная в жизнь» Мигель Николелис (р. 1961), бразильский нейробиолог, врач
Сейчас проходят клинические испытания модели «БрейнГейт-2». В исследованиях участвуют 7 полностью парализованных и не способных разговаривать пациентов, но ученые надеются расширить испытания до 15 человек. В 2012 году сообщили, что с помощью этого прибора двое участников эксперимента уже умеют заставлять руку робота совершать сложные трехмерные движения. Одна пациентка, парализованная более 15 лет и живущая с электродами в мозге последние 5 лет, научилась брать рукой робота бутылку с водой и подносить ее ко рту, чтобы пить через соломинку. Несмотря на все эти значительные достижения, имеющиеся НКИ все еще очень примитивны, и есть немало затруднений, которые исследователи надеются в ближайшем будущем преодолеть. Во-первых, они ужасно громоздки, поскольку электродные матрицы пристегнуты к компьютеру толстым кабелем, а их имплантация — это риск инфекции. Более того, современные приборы по-прежнему имеют чрезвычайно ограниченную способность передачи постоянного потока сложной нейронной активности, и за ними нужен постоянный профессиональный пригляд.
В грядущем электродные матрицы будут изготавливать из биологически совместимых материалов, которые можно оставлять в организме гораздо дольше, и разработают алгоритмы, способные передавать больше данных нервной активности от большего числа нейронов. НКИ смогут передавать множественные электрические сигналы беспроводным способом, а протезы конечностей можно будет оборудовать датчиками, снабжающими пользователя сенсорным откликом. Пользователи таких протезов будут ощущать их практически частью своего тела и получат возможность точнее ими управлять.
Коммерческие НКИ
Несколько компаний, производящих электронику, уже предлагают дешевые, не требующие имплантации НКИ, применяющие для записи ритмов мозга ЭЭГ-шлемы. Первый коммерческий продукт запустила калифорнийская компания «НьюроСкай» в 2007 году. Прибор продавали вместе с игрой «Приключения НьюроБоя», и некоторыми элементами в ней можно управлять через шлем. Позднее «НьюроСкай» вступила в партнерство с производителем игрушек «Мэттел», и вместе они создали самый продаваемый на сегодня НКИ — игру под названием «Майндфлекс», в которой, по заявлению авторов, шарик по полосе препятствий можно вести силой волновой активности мозга.
У некоторых приложений коммерческих НКИ есть практическое применение. Недавно австрийская компания «Гугер Текнолоджиз» выпустила систему, позволяющую парализованным людям печатать, выбирая по одной букве из таблицы. Есть и более потешные примеры. Японская компания «Ньюроуэр» запустила целую линейку модных аксессуаров, управляемых силой волновой активности мозга, включая пушистые кошачьи ушки, которые топорщатся, когда их носитель сосредоточен, и клонятся вперед, когда расслаблен. Художники применяют НКИ на основе ЭЭГ, превращающие ритмы мозга зрителя в движущиеся зрительные образы, для создания интерактивных инсталляций, а музыканты с помощью этих приспособлений преобразуют ритмы мозга в звуки.
Такие коммерческие продукты становятся со временем все доступнее — цена на технику неуклонно падает. Развитие электроники и сокращение стоимости производства — несомненное подспорье разработкам НКИ.
Кохлеарный имплантат
Кохлеарные («улитковые») имплантаты — электрические приборы, хирургически вживляемые во внутреннее ухо для улучшения слуха полностью или частично глухих людей. Они состоят из внешнего и внутреннего компонентов. Внешний размещается за ухом, в нем есть микрофон, улавливающий звуки окружающей среды, процессор, выбирающий звуки речи из общего потока сигналов, передатчик и приемник/стимулятор, на который звуки поступают из микрофона и конвертируются в электрические импульсы. Внутренний компонент — электродная матрица, вживленная в улитку, она принимает импульсы от передатчика и передает их слуховому нерву.
Кохлеарные имплантаты не восстанавливают нормальный слух, но дают людям возможность слышать и понимать звуки речи. Они отличаются от слуховых аппаратов, просто усиливающих любые звуки окружающей среды.
Кохлеарные имплантаты — одни из первых нейропротезов, их разработали в 1950-х годах, и с тех пор около 220 000 человек стали их пользователями.
