Новости партнеров


GEO приглашает

В Киеве, в американском культурном центре America House проходит выставка «Шик-модерн» молодой украинской художницы Пацци Пеннелло (Pazza Pennello). На картинах, написанных акрилом в стиле поп-арт, запечатлены товары и бренды, хлынувшие на постсоветское пространство после падения железного занавеса


GEO рекомендует

Hisense — китайский бренд с почти 50-летней историей выходит на российский рынок и представляет линейку лазерных телевизоров, холодильников, стиральных машин и кондиционеров


Новости партнеров

Сила мысли

Управлять в воображении инвалидным креслом и играть в настольные игры без помощи рук — это уже не фантастика. Современные технологии позволяют преобразовывать электромагнитные импульсы мозга в команды, понятные компьютеру. Пока исследователи только учатся читать мысли, чтобы облегчить жизнь людям с физическими ограничениями. А дальше?
текст: Юрген Бишоф
Marcus Höhn/laif

Мальта, лето 1998 года. 23-летний австрийский студент Том Швайгер вместе с друзьями резвится в волнах, накатывающих на морской берег. Вдруг, ныряя в очередной бурун, он промахивается и летит вниз головой в провал между двумя гребнями. Перекувырнувшись на мелководье, Том ударяется затылком о дно. «Я услышал, как хрустнула моя шея... И все», — вспоминает он. Перелом позвоночника — между четвертым и пятым позвонками.

Друзья вытаскивают Тома на берег. Спортивный, уверенный в себе парень из австрийской Штирии, студент Высшей технической школы в Вайце, в одночасье становится калекой. Он не может ничего: ни сделать шаг, ни взять книгу. Нервные сигналы из мозга, которые должны приводить в движение мышцы, «застревают» на роковом отрезке спинного мозга между мозжечком и шеей. У Тома почти полностью парализованы и ноги, и руки: он может лишь слегка пошевелить плечами. Тетраплегия — так называют его состояние медики.

15 лет спустя Том сидит в лаборатории Института семантического анализа при Техническом университете в Граце. Сотрудники института уже четверть века проводят исследования, цель которых — хотя бы частично вернуть дееспособность людям с двигательными нарушениями. Они разрабатывают НКИ — нейрокомпьютерный интерфейс, систему-посредник между человеческим мозгом и вычислительной машиной.

Австрийская НКИ «считывает» сигналы из мозга пациента и передает их в парализованные конечности, которые приводятся в движение с помощью электрических импульсов. Или может преобразовать сигналы мозга в команды, запускающие компьютерную программу, которая набирает текст на мониторе или управляет инвалидным креслом. Причем для этого не нужно вживлять электроды в мозг пациента. Достаточно просто закрепить на его голове датчики электроэнцефалографа, и они уловят мозговые импульсы через кожу.

Том Швайгер участвует в лабораторных испытаниях этого метода с 1999 года. «Меня пригласили, когда я еще проходил реабилитацию», — рассказывает он. Том сразу согласился: прежнюю жизнь все равно не вернуть, значит, надо начинать новую. С тех пор он успел получить диплом географа, жениться и стать отцом двоих сыновей — Томми и Юлиана. Старшему сейчас четыре с половиной. Том Швайгер не жалуется на судьбу и не возмущается. Разве что иногда, когда сталкивается с невежеством. Сколько он уже повидал врачей, которые просто отказывались верить, что мужчина с параличом всех конечностей может зачать ребенка...

Том не может управлять инвалидным креслом, поэтому сегодня его в лабораторию привезла жена Сильвия. Супружескую пару приветствует ректор института Гернот Мюллер-Пуц. Швайгер знаком с ним уже 15 лет. Двое научных сотрудников — Алекс Крейлингер и психолог Ханна Хибель — начинают готовить Тома к тестам. Атмосфера в лаборатории почти домашняя.

Крейлингер надевает на голову Швайгера эластичную шапочку с датчиками, соединенную проводами с компьютером. Затем прикрепляет к его руке электроды для стимуляции мышц. Один из них будет разжимать кулак, другой — управлять большим пальцем.
А для того чтобы сжать кулак, понадобится сразу несколько электродов. Как Крейлингер определяет, где именно нужно укреплять электроды на руке Тома? Эти точки были установлены экспериментальным путем. А потом сам Том попросил пометить их татуировками: «Это экономит время».

Для проверки Крейлингер включает стимулятор. Парализованные пальцы Швайгера начинают шевелиться. Он смотрит на них, улыбаясь.

«Отлично! Что ж, приступим», — говорит Крейлингер и ставит на стол зеленую пластиковую бутылку, наполненную водой. Швайгер изо всех сил старается мысленно представить, как он поднимает ноги. И эта мысль о физически недоступном ему движении материализуется! Зеленая полоса на мониторе показывает силу сигнала, посланного мозгом Тома. Он мгновенно считывается компьютером и трансформируется в слабый электрический ток. Как только электричество поступает в стимулятор, тот приводит руку в движение. Умная программа уже умеет читать мысли Тома Швайгера — по крайней мере, самые простые. Швайгер тоже научился думать так, чтобы компьютеру было проще его понять.

Мысленно поднимая и опуская ноги, Том посылает компьютеру серию команд: разжать пальцы, обхватить бутылку, прижать большой палец. Еще мгновение — и вот он уже приподнимает бутылку над столом. Швайгер смеется: он первый человек в мире, двигающий предметы силой мысли!

Наверное, трудно после стольких лет паралича представлять, как поднимаешь ноги? «Вовсе нет, — отвечает Швайгер. — Мне часто снится, как я хожу и даже бегаю». Гораздо труднее свыкнуться с другим: для того, чтобы пошевелить пальцами рук, нужно мысленно двигать ногами.

Действительно, странно. Как это объяснить? «Очень просто, — говорит Гернот Мюллер-Пуц. — Дело в том, что границы тех участков мозга, которые отвечают за реальные или воображаемые движения ног, очерчены гораздо точнее, чем зоны, регулирующие активность рук. Да и датчики четче улавливают сигналы именно из этого участка мозга. Так что и Швайгеру комфортнее воображать движения ног, а не рук, и нам проще с технической точки зрения».

Еще недавно казалось, что управлять машинами силой мысли могут только фантастические персонажи голливудских блокбастеров — вроде киборга-полицейского из «Робокопа». Но фантастика прямо у нас на глазах превращается в реальность. В научных лабораториях Европы и Китая, Японии и США давно тестируются нейро­управляемые протезы и экзоскелеты. Многие компании разрабатывают НКИ-системы для компьютерных игр. В Берлине уже создан экспериментальный автомобиль с «мысленным» управлением. Пентагон финансирует масштабный проект по изучению «синтетической телепатии» — общения без слов, с помощью одних только импульсов. Предполагается, что энцелограф, зарегистрировав мозговые сигналы «отправителя»,
с помощью компьютера будет напрямую транслировать их в мозг «получателя».

Больше всего эти технологии востребованы, конечно, в медицине. По статистике, каждый год около полумиллиона человек по всему миру получают травму позвоночника. Еще около 350 тысяч страдают амиотрофическим латеральным склерозом. Этот страшный недуг, который поразил и знаменитого британского астрофизика Стивена Хокинга, разрушает двигательные нейроны мозга. В итоге у таких больных атрофируются мышцы, они в прямом смысле слова теряют дар речи. Нередко это заканчивается «синдромом запертого человека» (СЗЧ) — полным параличом, при котором сознание остается ясным.

Причиной СЗЧ может стать и кровоизлияние в мозг. Точной статистики нет, но по мнению экспертов из берлинской ассоциации СЗЧ, в одной лишь Германии может насчитываться от 270 до 2700 человек с таким синдромом. А по оценке бельгийских ученых, более 40 процентов пациентов, которым поставлен диагноз «псевдокома», на самом деле страдают именно СЗЧ. То есть находятся в полном сознании.

Каждое мышечное движение активирует нервные клетки в мозге. Работу этих клеток можно зарегистрировать измерительными приборами — как определенную последовательность электрических импульсов. Проанализировав эти «наборы» импульсов, ученые выяснили: если какое-то реальное тело­движение воспроизвести мысленно, то «включатся» те же самые нейроны. Даже если той части тела, которой мысленно управляет человек, у него в реальности нет.

Самое сложное — вычленить из целого фейерверка нервных импульсов тот самый единственный сигнал, который сможет запустить нужную последовательность компьютерных команд. В человеческом мозге более 100 миллиардов нейронов и почти 100 триллионов синаптических контактов, передающих импульсы от одной клетки к другой. И каждая клетка в коре головного мозга постоянно обменивается информацией примерно с 30 тысячами других.

Это межклеточное общение в мозге, которое не прекращается даже во время сна, можно сравнить с гулом множества голосов. Недаром некоторые нейробиологи называют такую лавину мозговых сигналов «коктейльной вечеринкой».

Издалека гул толпы всегда кажется монотонным. Только подойдя ближе, можно уловить обрывки отдельных фраз. А чтобы понять, кто именно их произносит, нужно внимательно прислушаться.

Напрашивается вывод: чтобы как можно точнее распознать нейронный сигнал, нужно максимально приблизиться к его источнику. В 1990-е годы, когда американские военные заинтересовались НКИ-системами и Пентагон выделил деньги на их разработку, в США начались эксперименты по глубокому вживлению микроэлектродов в мозг животных. Затем от опытов над животными нейробиологи перешли к тестам с участием парализованных людей. Добровольцам имплантировали в мозг миниатюрные чипы, на которых умещалось до 100 датчиков.

Результаты оказались впечатляющими: после вживления имплантов пациенты мысленно управляли механизированными протезами и даже инвалидным креслом, оборудованным бортовым компьютером.

Нейробиолог Филипп Кеннеди из Университета Эмори в Атланте вернул дар речи человеку, который был почти полностью парализован после автомобильной аварии. Он вживил ему в мозг систему, которая «читает мысли» и, пропуская их через синтезатор, преобразует в звуковые сигналы.

А исследователи из штата Северная Каролина с помощью имплантов научили макак-резусов силой мысли управлять сразу двумя «виртуальными» руками.

Европейские нейробиологи, в отличие от своих американских коллег, экспериментируют с внешними датчиками, которые крепятся к голове. Главное преимущество такого метода очевидно: не надо делать операцию на мозге. Но внешние датчики не так четко регистрируют импульсы в глубоких тканях мозга. Приходится работать с сигналами, которые сразу распознаются компьютером.

Чтобы «приучить» компьютер к себе, пациент с внешними датчиками должен «дрессировать» его неделями. Но можно поступить проще: настроить машину на обработку только тех сигналов, которые поступают из четко локализованной зоны коры головного мозга. Вот почему Том Швайгер управляет пальцами рук, мысленно двигая ногами.

Тесты в лаборатории Технического университета в Граце продолжаются уже два часа. Задания становятся все сложнее. Том Швайгер работает левой парализованной рукой: попеременно сжимает в кулаке деревянный брусок и обхватывает большим и средним пальцами тонкий стержень. На этот раз сжимать и разжимать пальцы ему позволяет датчик, реагирующий на реальные движения его правого плеча, которое он приподнимает и опускает. А чтобы чередовать сжатие кулака с захватом двумя пальцами, Том переключается на нейро­компьютерный интерфейс и представляет, как двигает ногами. С каждой минутой это дается ему все труднее. Зеленая полоса на мониторе, показывающая уровень концентрации, начинает вибрировать.

«Я устал», — говорит Швайгер.

«Тогда на сегодня хватит», — отвечает Крейлингер.

Практика показала: неинвазивное взаимодействие мозга с компьютером не менее эффективно, чем оперативные методы с применением нейроимплантов. В швейцарской Лозанне группа ученых под руководством Хосе дель Миллана разработала инвалидное кресло с искусственным интеллектом. С каждым разом оно «учится» все лучше понимать мысленные команды своего «штурмана». А иногда даже принимает управление на себя.

Исследователи из Бременского университета (Германия) сконструировали нейроуправляемое кресло с механической рукой. Манипулируя такой «рукой», можно пользоваться бытовыми приборами типа микроволновки.

А в пекинском Университете Цинхуа и университетской клинике Гамбурга тестируют НКИ-систему для полностью парализованных людей, которая реагирует на сигналы из зрительного центра мозга. Человек смотрит на ритмично мерцающие цветные лампы, которыми оснащен прибор, и концентрирует свое внимание на одной их них. В зависимости от ритма мерцания свет лампы генерирует определенные импульсы в зрительном центре. Эти сигналы в режиме реального времени расшифровываются компьютером и преобразуются в команды: включить телевизор, зажечь свет, открыть дверь и т.п.

Берлинский технический университет, лаборатория Института машинного обучения. Посреди комнаты стоит аппарат для игры в пинбол. Вокруг него — столы с ноутбуками и мониторами.

Программист Михаэль Тангерман, положив руки на колени, сосредоточенно смотрит в стоящий перед ним монитор. На голове у Михаэля синтетическая шапочка со 128 электродами, которые соединены проводами с компьютером. На экране — шесть полей с буквами, расположенными по кругу. В центре этого круга — курсор. Вдруг он устремляется к букве «М», та вспыхивает и перемещается в строку набора в верхней части экрана.

«Я мысленно двигаю пальцами то левой, то правой руки», — объясняет Михаэль. Каждая мысль о движении — это импульс, который регистрируют закрепленные на голове электроды. А каждому импульсу соответствует определенная компьютерная команда: палец вправо — курсор вправо, палец влево — и курсор влево. Так он добирается до нужной буквы.

Силой мысли Тангерман добавляет в строчку букву за буквой. Через пять минут готово предложение: «Мысль свободна».

«Наша система очень проста, — уверяет руководитель исследовательской группы Клаус-Роберт Мюллер. — Две трети здоровых людей осваивают ее максимум за час. И набирают в среднем восемь букв в минуту». Даже парализованные пациенты учатся писать всего за один сеанс, хоть и не так быстро.

Аппарат для пинбола в лаборатории установлен тоже не ради развлечений. Тангерман запускает пинбольный шарик силой мысли, без рук. После нескольких тренировок он так навострился, что устает не больше обычных игроков.

Недавно американским нейробиологам удалось превратить мысленные образы в реальные картинки. Людям, согласившимся принять участие в эксперименте, показали отрывки из кинофильмов, регистрируя при этом магниторезонансным томографом активность их зрительных центров. Потом полученные данные обработали с помощью специальных компьютерных программ — и на экране возникли кадры, увиденные добровольцами! 

Некоторые ученые считают, что НКИ-технологии развиваются такими темпами, что пора бы уже слегка притормозить. Ведь ими интересуются не только медики, но и военные. Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США вкладывает миллионы долларов в такие разработки. И не только ради облегчения жизни ветеранов, получивших увечья на войне. Теоретически с помощью НКИ-систем можно управлять не только протезами, но и боевыми машинами.

Американский биолог Пит Эстеп хочет научиться не просто «читать мысли» человека, но и дополнять его знания, «загружая» цифровую информацию напрямую в мозг. Тогда образование можно будет получать мгновенно. Забывчивость, старческий маразм — все это останется в прошлом.

Электронная память, которую Эстеп называет «когнитивным НКИ» — это пока научная фантастика. Но всего пару лет назад фантастикой казались и нейроуправляемые инвалидные кресла.

30.04.2015
Связанные по тегам статьи: