Принцип работы нейроинтерфейсов — Михаил Лебедев

Нейроинженер Михаил Лебедев о современных нейронауках, Камилло Гольджи и новом поколении протезов

Сегодня мы часто встречаем слова «нейроинтерфейсы», «нейропротез», и для нас уже очевидно, что компьютер можно подсоединить к мозгу. Как работают нейроинтерфейсы, какие возможности они открывают и каковы перспективы их применения?

Что такое нейрон?

Аристотель размышлял над тем, что в организме человека отвечает за мышление и ощущения, и пришел к выводу, что таким органом является не мозг, а сердце: мозг холодный, а сердце теплое; мозг есть не у всех животных, в отличие от сердца и кровеносной системы; а если в него воткнуть нож или гвоздь, то человек ничего не почувствует — как же тогда мозг может быть центром ощущений?

И многие поверили Аристотелю. Столетия его взгляды имели влияние, до тех пор пока два ученых, Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль, не догадались посмотреть на мозг под микроскопом. Они увидели нейроны, которые были разной формы, с разными отростками, по-разному соединенные друг с другом в разных отделах мозга, и поняли, что именно в мозге идут мыслительные процессы и обработка чувств и моторных команд. Их исследования положили начало современным нейронаукам. Оба ученых получили Нобелевскую премию, но Рамон-и-Кахаль подчеркивал, что мозг состоит из нейронов и из них можно построить сеть мозга, а Гольджи идея таких элементарных единиц не была близка. Ему больше нравилось именно то, что в мозге все переплетено и имеется некая сеть. Таким образом, оба несколько по-разному представляли себе работу мозга, но тем не менее получили Нобелевскую премию.

Нейрональная доктрина Рамон-и-Кахаля прослеживается по сей день, как и теория Гольджи. И постоянно возникают споры: одни ученые подчеркивают важность нейрона и тех операций, которые он выполняет, а другие выделяют именно нейронную сеть и подчеркивают распределенную обработку информации в мозге.

Нейронауки развивались, и на некоторое время возобладали идеи Кахаля: были обнаружены нейроны, стало ясно, как они соединены и передают информацию друг другу. И действительно, нейрон является чем-то целым. Он состоит из тела клетки, дендритов, получающих информацию, аксона, по которому информация пересылается другим нейронам, и синапсов — это место контакта между двумя нейронами, где происходит передача информации от одного нейрона к другому. Если придерживаться этой схемы, то мозг подобен электронной схеме. Нейроны бывают возбуждающими и тормозными. И если взять какое-то количество и тех и других нейронов, соединить их и придумать определенную схему, то они будут работать, как задумано.

Все бы хорошо, но потом пришло осознание, что и Гольджи был в чем-то прав. Например, нейроны могут образовывать между собой электрические синапсы, через которые довольно свободно гуляют ионы. И нейроны оказались не столь элементарными единицами, как считали раньше. Скажем, в коре больших полушарий тормозные интернейроны образуют сеть, соединенную электрическими синапсами. Также было обнаружено, что нейрон, когда работает, излучает электромагнитные поля, которые могут воздействовать на нейроны, расположенные рядом. Это назвали эфаптической передачей. Сейчас некоторые исследователи полагают, что она может играть определенную функциональную роль. 

Возможности нейроинтерфейсов

Получается, что-то мы знаем, но гораздо больше нам пока не известно. Однако это не останавливает разработчиков нейрокомпьютерных интерфейсов, которые ставят перед собой амбициозную цель: они хотят записывать активность мозга, декодировать ее и потом использовать записанную информацию из мозга для решения определенных задач. 

Есть люди с неврологическими поражениями, например парализованные, с повреждениями спинного мозга. Предположительно можно записывать у таких пациентов сигналы из головного мозга, декодировать эту активность и затем направлять ее на протез руки или ноги. Благодаря этому такие люди обретут способность двигаться и ощущать. 

Обсуждается также возможность расширить функции мозга: человек подсоединяется к устройству, считывающему активность его мозга, которая декодируется и отправляется в компьютер, и компьютер помогает расширять функции. Есть и еще более футуристические идеи будущих проектов, такие как интерфейсы, в которых задействован мозг нескольких человек — происходит обмен информацией.

Как устроен и работает нейроинтерфейс

Прежде всего, необходим человеческий мозг, один или несколько. Также должны быть сенсоры, регистрирующие электрическую активность мозга: инвазивные, то есть электроды, имплантированные в мозг, и неинвазивные — электроды, которые кладутся на голову для записи электроэнцефалограммы, либо специальное устройство, записывающее магнитоэнцефалограмму. То, что мы регистрируем — а желательно записывать как можно больше информации, — подается на декодер. Декодер — это устройство с определенным математическим алгоритмом, который обучен интерпретировать активность мозга и представляет собой мини-мозг (сейчас в качестве декодеров активно используются искусственные нейронные сети). Он интерпретирует записанную информацию и выделяет интересующие нас сигналы. 

Например, парализованный человек намеревается сделать движение протезом. Необходимо декодировать положение руки, которое он хочет задать протезу. Мы выделяем координаты протеза, направляем его в нужную точку в пространстве, и таким образом человек активностью собственного мозга при помощи нейроинтерфейса управляет движениями протеза.

Протез может быть оснащен различными сенсорами: скажем, на пальцах искусственной руки имеются тактильные датчики, и, когда рука прикасается к предметам, эта активность может быть послана обратно в мозг, в сенсорные отделы, чтобы вызвать у человека ощущения. Мы получаем протез, который не только управляется сигналами мозга напрямую, но и может посылать информацию обратно в мозг таким образом, что человек, управляющий движениями протеза, ощущает его почти как часть собственного тела. Есть надежда, что если человек долгое время пользуется таким протезом, то за счет пластичности мозга устройство будет неотличимо от естественных частей человеческого тела. Также ведутся разговоры о том, что человеку в каких-то условиях может понадобиться третья рука, и сейчас подобные амбициозные задачи ставятся. 

Мы видим бурное развитие нейроинтерфейсов, но стоим в начале пути: выходя на улицу, мы не видим еще людей, которые управляют нейроинтерфейсами. Все это пока в лабораториях или на специальных показах. Но в конце концов нейроинтерфейсы войдут в нашу жизнь и станут для нас повседневной реальностью.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: