Устройства для считывания активности мозга помогают парализованным людям двигаться, говорить и работать с гаджетами. Мозговые имплантаты становятся все лучше, и их уже собираются выпускать на рынок. «Хайтек» разбирается, как людям возвращают возможность взаимодействовать с миром.
Разговаривать с родственниками, играть в компьютерную игру и управлять протезом — все это может делать даже парализованный человек, достаточно только силы мысли и интерфейса мозг–компьютер.
Как парализованные люди возвращаются к нормальной жизни?
Джеймс Джонсон надеется, что однажды сможет сесть за руль снова. Если он это сделает, то только используя силу своей мысли. В марте 2017 года Джонсон сломал шею из-за несчастного случая и его почти полностью парализовало ниже плеч.
Реабилитологи Джонсона познакомили его с исследователями из Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене. Его пригласили присоединиться к клиническим испытаниям интерфейса мозг–компьютер (BCI или ИМК).
Сначала ему провели нейрохирургическую операцию и имплантировали две сетки электродов в кору головного мозга. Эти электроды регистрируют возбуждение нейронов в мозгу. Дальше исследователи используют алгоритмы для расшифровки его мыслей и намерений. Затем система использует мозговую активность Джонсона для работы с компьютерными приложениями, или чтобы помочь ему двигаться в конкретном направлении.
В первый раз, когда Джонсон использовал интерфейс мозг–компьютер, имплантированный в ноябре 2018 года, он смог водить курсором по экрану. Для этого нужно было просто подумать об этом.
С тех пор Джонсон использовал ИМК для управления роборукой, чтобы играть в видеоигры и управлять моделируемым автомобилем в виртуальной реальности. Джонсон — один из 35 человек, которым на длительный срок имплантировали ИМК в мозг. Только около 12 лабораторий проводят такие исследования, но это число растет.
Как хорошо устройства считывают мысли и помогают выполнять желаемое?
За последние пять лет диапазон навыков, которые можно восстановить с помощью ИМК значительно расширился. Только в 2021 году ученые описали случай, когда пациент использовал роботизированную руку, посылающую сенсорную обратную связь непосредственно в его мозг. Также протезное речевое устройство для тех, кто потерял способность говорить из-за инсульта. И человека, который мог общаться с рекордной скоростью, воображая, что он пишет от руки.
Можно ли вернуть себе речь?
«Одно из самых серьезных последствий от травмы головного мозга — потеря способности общаться», — говорит Эдвард Чанг, нейрохирург и нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.
В начале работы с ИМК участники могли перемещать курсор по экрану компьютера, представляя движение своей руки и то, как они нажимают на клавиши. Такое общение с помощью курсора позволяло передать примерно 40 символов в минуту — рекорд был установлен в 2017 году командой под руководством Кришны Шеной, нейробиолога из Стэнфордского университета в Калифорнии.
Затем, в 2021 году эта же группа сообщила о новом подходе, с помощью которого участник, Деннис Деграрь, смог передать в два раза больше символов.
Коллега Шеноя — Фрэнк Уиллетт — предложил Деграю представить, что от пишет слова от руки, пока исследователи изучают данные из его моторной коры головного мозга. Система иногда с трудом разбирала сигналы, которые касались букв, визуально похожих на письме — r, n и h, но в целом она могла легко определить все буквы.
Алгоритм декодирования показал точность 95%, но при использовании автокоррекции, похожей на ту, что есть в обычном смартфоне, точность выросла до 99%.
Но есть и другой подход к передаче информации. Эдвард Чанг, нейрохирург и нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, придумал подход, который фокусируется на разговорной речи, а не на письме. Точно так же, как текст состоит из отдельных букв, речь состоит из отдельных единиц, называемых фонемами. В английском языке насчитывается около 50 фонем: каждую можно получить при определенном движении голосового тракта, языка и губ.
Группа Чанга сначала работала над изучением части мозга, которая генерирует фонемы и, следовательно, речь, — это плохо изученная область, которая называется дорсальная кора гортани. Исследователи создали систему декодирования речи, которая отображает расшифрованные сигналы пользователя в виде текста на экране. В 2021 году группа сообщила, что это устройство позволило человеку общаться, используя заранее определенный набор слов из 50 штук. Скорость составила 15 слов в минуту.
В этом случае ученые не записывали данные с отдельных нейронов. Вместо этого они использовали электроды, размещенные на поверхности коры головного мозга, которые обнаруживают усредненную активность всех нейронов. Сигналы не такие точные, как от электродов, имплантированных в кору головного мозга, но зато подход менее инвазивный.
Есть ли такие устройства в свободном доступе?
На сегодняшний день большинство имплантатов, которые записывают активность отдельный нейронов, создала компания Blackrock Neurotech. Это разработчики медицинского оборудования, которые базируются в Солт-Лейк-Сити. Но за последние семь лет коммерческий интерес к ИМК резко возрос. Например, в 2016 году предприниматель Илон Маск запустил NeuraLynx в Сан-Франциско чтобы разработать подобное устройство. Компания привлекла $363 млн.
Председатель правления Blackrock Neurotech Флориан Зольцбахер заявил, что хочет вывести на рынок систему ИМК в течение года. В ноябре 2021 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), которое регулирует медицинское оборудование, запустило ускоренный процесс проверки продуктов компании, чтобы облегчить их вывод на рынок. Возможно, их интерфейс станет первым массовым продуктом в этой области.
Что дальше?
Эксперты подчеркивают, что разработчикам коммерческих устройств ИМК придется работать без какого-либо экспертного надзора в течение месяцев или даже лет. Еще важно убедиться, что интерфейс одинаково хорошо функционирует у каждого пользователя.
Также они отметили, что достижения в области машинного обучения помогут решить первую проблему. Но вот достичь универсальной эффективности вне зависимости от пользователя — это задача сложнее.
Кроме этого, специалисты по этике подчеркивают, что пользователи должны сохранять полный контроль над данными с устройств. Современные технологии не могут расшифровывать личные мысли людей, тем не менее разработчики будут иметь данные обо всех диалогах пользователя, а также важные данные о здоровье их мозга. Отмечается, что ИМК — это новый тип риска для кибербезопасности.
Читать далее:
За ней охотились столетиями: что нам известно о планете Вулкан рядом с Солнцем
Физики экспериментально подтвердили новый фундаментальный закон для жидкостей
Астрономы нашли источник загадочных радиовсплесков, которые идут из космоса