Раньше идея интерфейсов мозг-компьютер была только в фантастике, но сейчас они стали реальностью. Благодаря развитию медицинской технологии и росту спроса стартапы начали работать над новым способом взаимодействия человека и компьютера. В переводе этого обзора мы рассмотрим современное состояние мировых технологий в области нейроинтерфейсов.
Что такое интерфейсы мозг-компьютер
Интерфейсы мозг-компьютер (ИМК) — это устройства, которые позволяют установить прямое соединение между электрической активностью мозга и внешним программным или аппаратным обеспечением, таким как компьютеры или роботы.
Однако, чтобы в будущем ИМК стали широко распространенными в нашей жизни, нужно обеспечить ряд факторов таких как биосовместимость, надежность, доступность, удобство в использовании и интуитивную понятность решений на основе нейроинтерфесов. И стоит отметить, что некоторые разработки уже сейчас близки к достижению подобных критериев.
Сегодня наиболее распространенным применением ИМК является управление курсором с помощью мыслей для частично или полностью парализованных лиц. Хотя многие проекты остаются на экспериментальной стадии, некоторые из них перешли к испытаниям на людях.
Принципы работы интерфейсов мозг-компьютер
И хотя нынешние нейроинтерфейсы различаются по типу и подходу в их основе лежит считывание электрической активности впервые продемонстрированное еще в 1849 году Дюбуа Рэймоном, который показал что мозг обладает электрогенными свойствами. Когда мы думаем или принимаем решение, в нашей нервной системе возникают химические и электрические реакции, которые можно считать.
Чтобы зафиксировать эту мозговую активность, ИМК используют электроды, расположенные рядом с поверхностью коры головного мозга. Эти датчики обнаруживают изменения напряжения и измеряют частоту и интенсивность каждого нейронного «всплеска» по мере их возникновения.
Это похоже на использование микрофона, но в данном случае мы слышим электрическую активность, а не звук. Мы улавливаем электрическую связь между нейронами мозга.
Пример нормальной ЭЭГ. Credit: Fürbass, Franz. (2017). EEG monitoring based on automatic detection of seizures and repetitive discharges.
Электроды ИМК могут быть размещены на коже головы, хирургически вживлены над или под твёрдой мозговой оболочкой, или размещены прямо в ткани мозга. Качество получаемых сигналов напрямую зависит от того, насколько близко устройство чтения находится к коре головного мозга.
Собранная информация затем обрабатывается локальным компьютерным программным обеспечением с помощью методов декодирования сигналов. Это включает в себя использование различных алгоритмов машинного обучения для преобразования сложных наборов данных, полученных в результате записи активности мозга. Эти алгоритмы позволяют получить очищенные данные, которые можно проанализировать и использовать в нейроинтерфейсах.
Применение интерфейсов мозг-компьютер
Интерфейсы мозг-компьютер имеют различные области применения и ориентированные на цели. Одна из ближайших таких целей это — восстановить утраченные способности людей. Однако в долгосрочной перспективе ИМК нацелены на создание дополнительного уровня функционирования человеческого мозга, похожего на дополнительный слой головного мозга, потенциально расширяющий возможности человека.
На сегодняшний день наиболее частые области применения ИМК – это:
Роботизированные конечности и инвалидные коляски: ИМК обеспечивают обратную связь в реальном времени, которая может помочь реструктуризации мозга, а также может непосредственно восстановить движение, подвижность и автономию парализованным или инвалидам при интеграции с роботизированными устройствами и конечностями.
Беспроводные гарнитуры: гарнитуры предлагают неинвазивный подход к ИМК. Некоторые гарнитуры, такие как Enten от Neurable, помогают повысить производительность и концентрацию, в то время как другие, такие как система IpsiHand от Neurolutions, восстанавливают двигательные функции верхних конечностей у людей, перенесших инсульт.
Трекинг глаз и семантические декодеры : люди, которые не могут говорить вследствие инсульта или серьезной травмы, могут использовать движения глаз или даже непосредственно мозговую активность для общения с помощью компьютерных методов.
Смартфоны и интерфейсы устройств «умный дом». С помощью ИМК пользователи возможно управлять приложениями социальных сетей, управлять электронной почтой, взаимодействовать с виртуальными помощниками и использовать службы обмена мгновенными сообщениями, не полагаясь на двигательные навыки. ИМК также можно адаптировать для управления домашними устройствами, такими как приглушение света или переключение телеканалов.
Дроны. Некоторые современные исследования, направлены на применение ИМК в области беспилотных летательных аппаратов для военного применения. В будущем это позволит телепатически управлять роями беспилотных летательных аппаратов.
Подобные приложения демонстрируют разнообразный потенциал ИМК в улучшении жизни людей с ограниченными возможностями, расширении человеческих возможностей и развитии технологий в различных областях.
Примеры проектов в области нейроинтерфейсов
Мозговой чип Neuralink: Neuralink под руководством Илона Маска разрабатывает инвазивны имплантат размером с монету под названием Link . В этом устройстве используются провода электродов микронного размера для тщательного мониторинга активности мозга. Основное внимание проекта уделяется лечению паралича, и Neuralink также работает над специальным роботом, который поможет разместить нервные нити. Недавно Neuralink получили долгожданное одобрение от FDA ( U.S. Food and Drug Administration, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) на проведение экспериментов на людях, они могут начаться в ближайшие месяцы.
Наушники Neurable с поддержкой ИМК: Neurable— это стартап создающий наушники, для интерпретации сигналов мозга и повышения производительности по принципу обратной связи. Их первый продукт, Enten, использует методы анализа данных и обработки сигналов для оптимизации периодов пиковой активности пользователей. Наушники отключают уведомления, активируют шумоподавление и предоставляют персональные рекомендации для музыкальных плейлистов в зависимости от того, как разные песни и жанры влияют на фокусировку.
Precision Neuroscience: Precision Neuroscience стремится внедрить ИМК с минимально инвазивным подходом. Их корковый интерфейс Layer 7 представляет собой тонкую пленку микроэлектродов, которые располагаются под твердой мозговой оболочкой на коре головного мозга, не вызывая повреждений. Данная технология предназначена для использования в медицинских учреждениях для лечения неврологических заболеваний.
Эндоваскулярный чип Synchron: Synchron, поддерживаемая Биллом Гейтсом и Джеффом Безосом, является компанией, которая считывает сигналы мозга через кровеносные сосуды. Их Stentrode, введенный через яремную вену, представляет собой нейропротез, помещенный рядом с моторной корой. Этот восьмимиллиметровый гибкий чип передает сигналы на подкожный приемник, имплантированный в грудь пациента, который далее подключают к внешнему устройству, что позволяет переводить мысли в нажатия клавиш в режиме реального времени. Synchron получил одобрение FDA для клинических испытаний на людях и уже провел испытания на четырех пациентах.
Слева: Техника введения «краниальной микрощели» от Precision Neuroscience, с демонстрацией введения массива на основе тонкой пленки в субдуральное пространство. Credit: Elton H, Mark H, Demetrios P, et al. (2022). The Layer 7 Cortical Interface: A Scalable and Minimally Invasive Brain–Computer Interface Platform bioRxiv 01.02.474656
Справа: Эндоваскулярная система моторных нейропротезов Synchron. Показаны внутренние и внешние компоненты системы. Credit: Oxley TJ, Yoo PE, Rind GS, et al. (2021). Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis: first in-human experience Journal of NeuroInterventional Surgery 13:102-108.
Mesh Lace от Blackrock Neurotech: Blackrock Neurotech занимается разработкой ИМК более двух десятилетий. Их устройства помогли пациентам восстановить тактильные функции, управлять своими конечностями и протезами и управлять цифровыми устройствами исключительно посредством мысли. Их последний проект, Neuralace, представляет собой гибкий сетчатый пластырь тоньше ресницы, который располагается непосредственно на коре головного мозга. Данное устройство имеет большую площадь поверхности, способную захватывать 10 000 нейронных каналов, приближаясь к захвату данных всего мозга.
Преимущества интерфейсов мозг-компьютер
Восстановление двигательных функций: мозговые чипы и носимые устройства в сочетании с неврологической реабилитацией позволяют пациентам установить контроль над экзоскелетами и роботизированными конечностями. Благодаря прямому считыванию сигналов из головного мозга эти технологии обходят место повреждения или заболевания, например, разрыв спинного мозга, и позволяют пациентам контролировать свои движения.
Общение посредством ИМК: интерфейсы «мозг-компьютер» дают возможность преобразовывать мысли в речь. Скорость декодирования мозговых сигналов определяет насколько быстро эти мысли могут быть преобразованы в произнесенные слова. Исследование, проведенное в Стэнфордском университете, показало среднюю скорость в районе 62 слов в минуту, что сравнимо с естественным разговором. В первую очередь, это дает надежду на нормальную коммуникацию для больных боковым амиотрофическим склерозом (БАС).
Пример эксперимента с использованием методики P300 для вызванных потенциалов. На мониторе изображена матрица 6 × 6, содержащая буквенно-цифровые символы, а также пробел (Sp) и возврат (Bs). Строки и столбцы в матрице мелькали быстро и псевдослучайно. Задача испытуемого заключалась в фокусировке внимания на желаемых символах. Компьютер определял предполагаемый символ на основе мозговой активности испытуемого. Credit: Brunner P, Ritaccio A, Emrich J et al. (2011) Rapid Communication with a “P300” Matrix Speller Using Electrocorticographic Signals Frontiers in Neuroscience vol.5
Лечение неврологических состояний: ИМК могут помочь людям с неврологическими заболеваниями, такими как: БАС, церебральный паралич, различные виды инсульта, травмы спинного мозга, мышечные дистрофии и хронические периферические невропатии. Различные имплантаты могут лечить эти состояния или улучшать качество жизни пациентов, даже в случаях с хроническими или неизлечимыми диагнозами.
Мониторинг психического здоровья: Интерфейсы мозг-компьютер могут также быть полезны при таких психических состояниях, как биполярное расстройство, обсессивно-компульсивное расстройство, а также при выраженной депрессии и тревожности. К тому же, используя методы биологической обратной связи, ИМК могут направлять электрическую стимуляцию определенных областей мозга, потенциально облегчая симптомы и предотвращая такие состояния, как выгорание и усталость.
Улучшение когнитивной функции: люди с ИМК могут улучшить когнитивные способности, такие как память, исполнительные функции и скорость обработки данных, тренируя свой мозг на основе биологической обратной связи в реальном времени, получаемой от нейронных имплантатов. Подобно носимым технологиям и приложениям, доступным сегодня, люди в будущем смогут отслеживать активность своего мозга и вносить соответствующие коррективы в саморегуляцию.
Понимание мозга: интерфейсы мозг-компьютер служат ценным инструментом для изучения работы мозга. Электроды обеспечивают прямой доступ к необработанной электрической активности, а процесс декодирования помогает лучше понять язык мозга. Всё это позволяет нынешним исследователям наблюдать за самыми разными процессами происходящими в головном мозге, что естественно приводит к более полному пониманию его работы.
Проблемы интерфейсов мозг-компьютер
Широкому внедрению интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) препятствуют две основные проблемы: одобрение регулирующих органов, их стоимость и последующая поддержка.
Одобрение регуляторов: ИМК считаются медицинскими устройствами и подпадают под юрисдикцию регулирующих органов, таких как FDA. Для них безопасность пациентов является первоочередной задачей. Однако ИМК уникальны тем, что они сочетают в себе различные области, включая хирургически имплантируемые элементы, уникальное программное обеспечение, которые еще не стандартизированы. На данный момент не существует таких идеальных устройств, которые могли бы служить ориентирами для одобрения регулирующими органами. Это создает сложности в отношении доказательной базы, необходимой для одобрения некоторых ИМК.
Стоимость и поддержка ИМК: Финансовый аспект ИМК представляет собой серьезную проблему. Если ИМК станут частью повседневной медицинской практики, возникнут сложности относительно того, кто будет нести расходы. Сюда входят расходы, связанные непосредственно со стоимостью интерфейсов, с хирургическими процедурами, текущим обслуживанием и последующими обновлениями для поддержки технологии с течением времени. Последнему стоит уделить отдельное внимание так как уже известны случаи, когда поддержка того или иного девайса прекращалась, лишая людей приобретенных с их помощью возможностей.
Устранение этих препятствий необходимо для повышения доступности ИМК с учетом потребностей конечных пользователей. Особенно это актуально для людей с ограниченными возможностями, которым подобные устройства помогают уже сейчас изменить жизнь к лучшему.
Текст: Савва Запекин
Источник: Brooke Becher “Brain Computer Interfaces (BCI) Explained”. Builtin.com May. 25, 2023
Свежие комментарии