Макаки набили компьютерную руку

Ученые научили обезьян управлять «силой мысли» движением двух виртуальных рук

Такой аватар использовался для того, чтобы научить обезьян управлять виртуальными руками

Фотография: Duke Center for Neuroengineering

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.