Взаимодействие между мозгом и машиной вызывает фантастические мысли о кибернетически усовершенствованных людях, подобных которым мы можем видеть в видеоиграх или научно-фантастических фильмах. Похожие устройства существуют, но они не улучшают то, что уже возможно, а разрабатываются для лечения заболеваний, которые приводят к нервным и двигательным нарушениям. Что представляет собой система BCI, а главное, как она помогает людям с ОВЗ расширить границы возможностей, рассказал аудиолог Николай Пудов.
Николай Пудов, Аудиолог
Л юди используют свои периферийные нервы и мышцы для взаимодействия с внешней физической средой при выполнении желаемых действий. Эта необходимость и условие выживания дорого обходятся людям с ограниченными возможностями с тяжелыми неврологическими заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз, церебральный паралич, инсульт или травма спинного мозга. Эти люди не могут управлять внешними устройствами, поэтому им требуется помощь здоровых людей, которая не всегда может быть доступна. Столкнувшись с ограничениями, ученые и исследователи разработали технологию интерфейса «мозг — компьютер» (brain-computer interface (BCI)), которая может преобразовывать сигналы мозга в действия человека независимо от периферических нервов или мышц.
BCI — это компьютерная система, которая принимает сигналы мозга, анализирует, преобразует в специальные команды и отправляет их на устройство для выполнения необходимых действий. Таким образом, BCI не используют нормальные выходные пути мозга периферических нервов и мышц. Это определение строго ограничивает термин BCI системами, которые измеряют и используют сигналы, вырабатываемые центральной нервной системой. Таким образом, например, система связи, активируемая мышцами или голосом, не является BCI. Более того, электроэнцефалограмма (ЭЭГ) сама по себе не является BCI, поскольку она только записывает сигналы мозга, но не генерирует выходные данные, которые воздействуют на окружающую среду пользователя. Представление о том, что BCI являются устройствами для чтения мыслей, ошибочно. Интерфейсы «мозг-компьютер» не читают мысли в смысле извлечения информации от ничего не подозревающих или не желающих пользователей, но позволяют пользователям воздействовать на мир, используя сигналы мозга, а не мышц.
Впервые Жак Видаль предложил интерфейс «мозг — компьютер» (BCI) в 1973 году, когда он предложил преобразовывать электрически сигналы мозга, полученные с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), в сигналы управления компьютером. Можно ли использовать наблюдаемые электрические сигналы мозга в качестве носителей информации при общении человека с компьютером или в целях управления такими устройствами, как протезы? Именно этот вопрос задал Жак Видал в 1973 году. Его проект «Интерфейс мозг — компьютер» был ранней попыткой оценить возможность использования нейронных сигналов в диалоге человека и компьютера, который позволил компьютерам стать протезным продолжением мозга. Хотя работа с обезьянами в конце 1960‑х годов показала, что сигналы от отдельных корковых нейронов можно использовать для управления стрелкой счетчика, систематические исследования на людях действительно начались в 1970‑х годах.
Первоначальный прогресс в исследованиях BCI у человека был медленным и ограничивался возможностями компьютеров и нашими собственными знаниями физиологии мозга. Сегодня исследования интерфейсов «мозг — компьютер» растут чрезвычайно быстрыми темпами, о чем свидетельствует количество рецензируемых публикаций в этой области за последние 10 лет.
Система BCI состоит из трех фундаментальных компонентов, которые выполняют определенные функции: регистрация сигнала, обработка сигнала и применение. Эти компоненты взаимосвязаны и работают вместе, обеспечивая передачу сигналов мозга к целевому приложению BCI (например, роботизированной руке). В определенных ситуациях управляющие сигналы из приложения BCI могут отправляться обратно в мозг, чтобы стимулировать некоторые общие функции человека, такие как зрение и слух.
По степени инвазивности BCI делятся на три категории: инвазивные, неинвазивные и полуинвазивные. Инвазивные нейронные интерфейсы требуют прямой имплантации интракортикальных микроэлектродов в мозг человека, что обеспечивает максимальную эффективность, но представляет больший риск. Неинвазивные нейронные интерфейсы анализируют активность мозга с поверхности головы с помощью электроэнцефалографии, магнитоэнцефалографии или функциональной магнитно-резонансной томографии без имплантации электродов. Полуинвазивные BCI имеют электроды, расположенные под костью черепа на поверхности головного мозга, такие как электрокортикография (ECoG).
В настоящее время инвазивные и полуинвазивные нейроинтерфейсы в основном используются в медицинских целях для улучшения благополучия людей с ограниченными возможностями. Кроме того, эти устройства также используются для коррекции и профилактики различных заболеваний. С другой стороны, неинвазивные нейронные интерфейсы набирают обороты в игровой индустрии. По мере появления новых типов нейрогаджетов, возможно, в этом секторе произойдет революция.
BCI используются для создания нейропротезов, которые позволяют людям с ограниченными физическими возможностями управлять внешними устройствами, такими как инвалидные коляски и роботизированные руки, используя сигналы собственного мозга. Например, система нейроинтерфейса BrainGate, которую можно имплантировать в мозг для регистрации электрической активности нейронов и перевода ее в команды управления внешними устройствами. Использование BCI в нейропротезировании — быстро развивающаяся область, потенциальные применения которой варьируются от восстановления связи с теми, кто потерял ее из-за травмы или болезни, до обеспечения улучшенного контроля над протезами конечностей. Технология BCI десятилетиями использовалась в медицинском секторе, но лишь недавно начала применяться для разработки нейропротезов.
Одним из примеров технологии BCI, используемой в нейропротезировании, являются роботизированные руки и кисти, управляемые мозгом. Они предназначены для того, чтобы пользователи с травмами спинного мозга или ампутациями могли перемещать протезную конечность, просто думая об этом, вместо того чтобы вручную управлять им с помощью переключателей или джойстиков. Этот тип устройства также можно использовать в качестве вспомогательного средства для людей с ограниченными двигательными навыками, например, жертв инсульта или людей, страдающих дегенеративными заболеваниями, такими как БАС (боковой амиотрофический склероз). Интерпретируя электрические сигналы, вырабатываемые нейронами в мозгу пользователя, эти устройства могут точно предсказать, какое действие они должны предпринять, получив данные от пользователя, что дает им большую независимость и мобильность.
Еще одним применением технологии BCI в нейропротезировании является ее использование для восстановления коммуникативных способностей у тех, кто не может говорить из-за паралича, вызванного такими состояниями, как БАС, инсульт или черепно-мозговая травма. В этом случае электроды, помещенные на кожу головы, обнаруживают электрическую активность, производимую нейронами, которая обычно связана с производством речи, а затем переводят ее в слова, произносимые через компьютеризированный синтезатор голоса. Это позволяет людям, которые физически не могут самостоятельно производить звук, по-прежнему сообщать свои мысли и чувства, не полагаясь исключительно на их запись или набор сообщений с помощью программ для отслеживания глаз, что дает им гораздо больше свободы, чем раньше.
Нейронные имплантаты — это еще одна форма технологии BCI, которая в настоящее время изучается в области исследований нейропротезирования, особенно как часть «нейрогибридных» систем, сочетающих как биологические компоненты (например, нервы), так и искусственные компоненты (например, микропроцессоры). Нейронные имплантаты включают хирургическую имплантацию электродов непосредственно в области, ответственные за контроль движения, чтобы вместо этого они могли получать прямые команды от активности нейронов, генерируемых там, что потенциально приводит к даже более быстрому времени отклика, чем традиционные формы BCI, которые полагаются на обнаружение сигналов, передаваемых только через скальповые электроды.
В последнее время растет интерес к потенциальному применению BCI в аудиологии, например, для улучшения и диагностики различных нарушений слуха. Объективная оценка порога слышимости на основе ушной ЭЭГ может быть интегрирована в слуховые аппараты, что позволит проводить оценку слуха с помощью слухового аппарата на регулярной основе. Первое внутриушное ЭЭГ-устройство впервые было представлено Дэвидом Луни в 2011 году и стало важной вехой в этой носимой технологии для целей мониторинга в аудиологии. Впоследствии методика записи и анализ таких сигналов ЭЭГ были подтверждены в более чем 90 опубликованных рецензируемых научных работах, охватывающих различные области, включая выбор материала, проектирование системы и проверку качества сигнала.
Технология BCI — это захватывающая новая область с широким спектром потенциальных применений в области нейропротезирования — от восстановления коммуникационных возможностей до обеспечения улучшенного контроля над протезами конечностей и за его пределами. Поскольку исследования в этой области продолжают развиваться, можно ожидать, что будут достигнуты дальнейшие успехи, которые дадут людям с ограниченными возможностями большую независимость и мобильность, чем когда‑либо прежде. Предстоит еще много работы, прежде чем мы сможем полностью понять потенциальные преимущества, предлагаемые этой захватывающей новой технологией, но первоначальные результаты показывают, что она может значительно улучшить наше понимание психических заболеваний, одновременно предлагая пациентам доступ к более персонализированному лечению, адаптированному специально для их индивидуальных потребностей.
Нет комментариев