Нейрофизиологи сделали важный шаг в области интерфейсов «мозг-компьютер», непосредственно связывающих мозг и внешние манипуляторы. Они научили обезьян управлять с помощью своего мозга движением двух виртуальных рук.
Обезьяна сидит в кресле, ее руки зафиксированы, и она лишена возможности ими двигать. Зато перед ней на мониторе компьютера — две виртуальные руки, очень похожие на ее собственные. И не только внешне похожие.
Виртуальные руки — это обезьяний аватар: она может ими управлять при помощи своего мозга.
Правда, виртуальной рукой не захватишь реальное лакомство, но можно выполнить задание на мониторе и получить за это вознаграждение.
Такие эксперименты проводятся в лаборатории нейрофизиолога Мигеля Николелиса, известного специалиста по мозг-компьютерным интерфейсам, в Медицинском центре Университета Дьюка. С начала 2000-х годов ученый развивает технологию, позволяющую управлять некими манипуляторами, используя электрические сигналы нейронов мозга. Цель этих работ состоит в создании устройств, которые бы позволили совершать движения полностью парализованному человеку. Последнее достижение Николелиса, результаты которого опубликованы в журнале Science Translation Medicine, позволяет обезьяне оперировать сразу двумя виртуальными руками.
В последнем эксперименте участвовали две обезьяны — самка макаки-резуса С. и самец М.
В их мозг ученые вживили рекордно большое количество микроэлектродов, регистрирующих электрическую активность нейронов. В мозг самца М. — 384 электрода, а в мозг самки С. — 768 электродов. До сих пор такое не удавалось ни одному нейрофизиологу.
Микроэлектроды были размещены на специальных платах, которые размещали в разных областях коры мозга. Каждый микроэлектрод регистрировал электрические импульсы окружающих нейронов. В результате у каждой обезьяны ученые записали одновременную активность более 500 нейронов.
Обезьянам сначала демонстрировали аватар, который манипулировал предметами разной формы. Они наблюдали за ним, а затем начали управлять. Сначала их научили управлять движениями аватара с помощью джойстика.
В то время как обезьяны двигали виртуальными руками, ученые регистрировали активность их нейронов и по результатам этого построили модель, связывающую активность определенных нейронов с определенными движениями рук.
Эта модель и легла в основу интерфейса «мозг-компьютер», чтобы затем перейти к управлению виртуальными руками «силой мысли». Это значит, что намерение подвинуть руку вправо или влево сопровождалось активностью ключевых нейронов, а интерфейс трансформировал эту активность в нужное движение аватара. Для декодирования активности нейронов ученые использовали алгоритм, который они разработали в предыдущих исследованиях, с одной рукой.
Так что когда у обезьян сначала отняли джойстик, они путем упорных тренировок научились «силой мысли» направлять виртуальные руки на мишени и удерживать их на них в течение некоторого времени. Мишенью служили круги и квадраты на экране. Если эта задача оказалась выполнена, макаки получали угощение. Ученые провели обучение в нескольких вариантах: сначала руки макак были свободными и они как бы помогали ими себе, проделывая то же движение, которого им надо было добиться от виртуальной руки. На втором этапе руки мартышек примотали к креслу, и для управления виртуальной реальностью у них остался только мозг.
Обе подопытные обезьяны — и самец, и самка — освоили непростой навык, причем самке С. потребовалось для этого 9 сессий обучения, а самцу М. — 15 сессий.
До сих пор все подобные управляемые мозгом манипуляторы управляли движением только одной руки. Переход на две руки — принципиальный шаг вперед.
Как установили ученые, в движении двумя руками задействовано гораздо больше нейронов, чем в движении одной.
«Скоординированные движения двух рук — ключевой элемент нашей повседневной активности, — подчеркивает Мигель Николелис, профессор нейробиологии Университета Дьюка. — Более того, будущие мозг-компьютерные интерфейсы будут способны обеспечивать движение многих конечностей».
После того как обезьяны научились управлять аватаром с помощью своего мозга, ученые обнаружили, что прикосновение к виртуальной руке вызывало такую же вспышку нейронной активности, что и прикосновение к реальной руке.
Иными словами, виртуальные руки с помощью мозга «встроились» в тело подопытных обезьян, как их собственные.
«Это одно из эпохальных достижений, — сказал «Газете.Ru» доктор биологических наук Александр Каплан, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов биологического факультета МГУ. — Николелис показал, что обезьяна может одновременно управлять и двумя своими собственными, и двумя виртуальными руками.
Это означает, что мозг имеет резервы для управления большим числом рук, чем две. Оказывается, мы можем жить в «четырехмерном» пространстве».
Мигель Николелис участвует в большом международном проекте Walk Again Project, направленном на создание экзопротезов — искусственных конечностей — или даже целого экзоскелета, который будет управляться с помощью мозга и даст возможность движения парализованным людям. Николелис утверждает, что парализованный человек, снабженный экзоскелетом, выйдет на поле и сделает первый удар по мячу на чемпионате мира по футболу 2014 года.
Но уже сегодня в создании бионических протезов достигнуты впечатляющие результаты, о которых писала «Газета.Ru». Так, команда нейрофизиолога Джона Донахью разработала протез руки, которым управляла парализованная женщина при помощи вживленных в мозг электродов (в этом эксперименте электродов было гораздо меньше) и могла «силой мысли» поднести к себе стакан с соком. А в этом году Москву посетил человек-киборг Найджел Экланд — обладатель самого совершенного в мире бионического протеза руки. Правда, она управляется не мозгом, а мышцами, но совершенна настолько, что позволяет своему обладателю не чувствовать себя инвалидом.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Чтобы писать комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
» Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации. Зарегистрируйтесь на портале чтобы оставлять комментарии
Материалы предназначены только для ознакомления и обсуждения. Все права на публикации принадлежат их авторам и первоисточникам. Администрация сайта может не разделять мнения авторов и не несет ответственность за авторские материалы и перепечатку с других сайтов. Ресурс может содержать материалы 16+
Такой аватар использовался для того, чтобы научить обезьян управлять виртуальными руками
