10 октября 2011 года Медицинская школа университета Питсбурга опубликовала сообщение об успешном завершении испытаний робо-руки, которая управлялась полностью парализованным Тимом Хеммесом.  Управление осуществлялось с помощью интерфейса мозг-компьютер (brain-computer interface - BCI); контакт с мозгом обеспечивали электроды, помещенные непосредственно на двигательную зону коры головного мозга.

Это достижение явилось прямым продолжением экспериментов с обучением обезьян управлять различными манипуляторами, используя только “силу своего мозга”. Вот наиболее показательное видео:

А начиналось всё в 20 веке. Наибольших успехов к концу 90х годов прошлого века добилась группа из Института Дюка в Северной Каролине (США) под руководством профессора Мигеля Николелиса. Им первым удалось записать активность большого числа нейронов с обширной области мозга  и поставить им в соответствие различные движения животных.

Первым живым существом, мозг которого удалось результативно соединить с компьютером, была лабораторная крыса. Вначале лишенную воды крысу научили нажимать лапой специальную кнопку и получать за это питье. С двигательного центра её мозга снимались показатели через 48 электродов и проводилась компьютерная обработка сигналов.

После этого кнопку отключили и стали подавать воду тогда, когда активность мозга соответствовала нажатию на кнопку. Самое же удивительное, что крыса очень быстро сообразила, что для получения воды не обязательно физически нажимать на кнопку, а достаточно об этом подумать. Именно это событие и можно считать первым опытом по управлению механизмами, используя непосредственно “силу мысли”…

128-игольчатый имплантат, используемый Мигелем Николесисом в своих опытах. Одной из исходных трудностей в связывании мозга и компьютера было “припаять” электрод к нейрону, ведь последний постоянно меняет своё положение. Здесь помог тефлон, который, как оказалось, “приманивает” к себе нейроны, что и позволило наладить устойчивую “мульти-нейронную запись”.

Уже во время самых первых опытов ученые совершили несколько научных открытий, опровергающих многие прежние представления. Например, раньше считалось, что мозг отчасти напоминает компьютерный процессор, и каждый нейрон представляет собой минимальную структурную единицу мозга, выполняя всегда одну и ту же функцию, и жестко связан с другими нейронами. Также считалось, что мозг практически не меняется со временем.

Однако простой анализ наблюдений показал, что он является едва ли не противоположностью процессору — один нейрон всегда выполняет разные действия, входит в разные цепи нейронов, постоянно меняет связи с остальными нейронами, может выполнять одно действие как самостоятельно, так и в совокупности с остальной популяцией мозга. Было доказано, что мозг меняется каждые доли секунды, каждые доли секунды он реагирует на внешнее воздействие, приспосабливается к новым условиям жизни, которые на самом деле для мозга меняются постоянно — их изменяет и малейшее воздействие на органы чувств и даже самый незначительный мыслительный процесс…

Следующим шагом стали опыты по связыванию мозга обезьян и компьютера.  Во время экспериментов к мозгу небольших ночных обезьянок подключили до 128 электродов толщиной с половину человеческого волоса.

Первыми были опыты по управлению курсором на экране компьютера. Вначале животных научили пользоваться обычным джойстиком: при наведении курсора на светящуюся точку обезьяна получала немного сока, а ученые тем временем обрабатывали показания с датчиков. Затем джойстик отключили и управление было передано мозгу животных… Как и в случае с крысой, очень быстро обезьяны сообразили, что могут перемещать курсор только с помощью мысли без использования конечностей.

Следующей задачей стала передача команд механической руке, способной двигаться и осуществлять хватательные движения. Сигналы снятые с мозга обрабатывал компьютер, который при помощи простых математических функций моделировал на их основе движения искусственной руки робота.

На обучение животных потребовались всего два дня, в течение которых обезьяны смогли сопоставить особенности движения робо-руки с собственными двигательными импульсами. К концу обучения обезьяны научились управлять искусственной рукой практически как собственной.

В этих опытах была наглядно продемонстрирована сверхвысокая обучаемость и изменчивость  мозга.  Ученые могли каким угодно образом поменять соответствия между сигналом от мозга и движением механической руки, например, они могли инвертировать движения (движение влево станет движением вправо и наоборот) или случайно расставить их, например, чтобы вместо поднятия руки, она повернулась влево… Сразу после подобных изменений робо-рука не подчинялась мозгу обезьяны, движения не были согласованы, но вскоре мозг снова расставлял нужные соответствия. Примерно то же самое может испытать человек, если при движении компьютерной мыши вверх — курсор будет двигаться вниз и т.д.

Также была отмечена еще одна немаловажная деталь — мозг планирует все свои действия заранее: в случае с обезьяной можно было узнать о ее намерении совершить какое-либо конкретное действие за несколько десятых долей секунды до его выполнения.

И наконец, после анализа колоссального массива данных по нейроимпульсам, полученных в ходе экспериментов, стало ясно, что обезьяны воспринимали и воспринимают эти механические манипуляторы не как замену собственным конечностям, но как дополнение, как третью руку, которой они могут орудовать одновременно со своими “натуральными” руками. Таким образом, мозг продемонстрировал в буквальном смысле огромнейший потенциал к расширяемости.

«Наша гипотеза состоит в следующем: структуры мозга способны адаптироваться так, чтобы расширять возможности организма и использовать искусственные манипуляционные дополнения без потери функциональности [обычных конечностей]... В зависимости от цели, животное может использовать и свою руку, и механический манипулятор, а иногда — и то, и другое», — заявил по результатам эксперимента доктор Мигель Николелис.

По его словам, результаты их опытов доказывают теорию, которая в научных кругах считалась весьма сомнительной: что мозг высших приматов, включая человека, способен подстраиваться под использование искусственного инструментария вне зависимости от того, контролируются ли они мозгом напрямую, или с помощью каких-то дополнительных приспособлений. Это касается и механического манипулятора, это касается компьютерной клавиатуры и теннисной ракетки — всего, чего угодно. Все эти инструменты внедряются в наше нейронное "пространство" и воспринимаются мозгом фактически как часть организма.

«Немногие исследователи демонстрировали готовность постулировать такой выдающийся потенциал мозга к адаптации...», - подчеркивает Николелис. Долгое время считалось, что нашей способностью обучаться использованию искусственных инструментов, изготавливать их самостоятельно, а также самими творческими способностями мы обязаны коре фронтовой доли мозга, и что это характерно только для мозга человека.

«Мы предполагаем, что на самом деле способность "встраивать" новые инструменты в саму структуру мозга является фундаментальной особенностью высших приматов», - говорит Николелис. По его мнению, способность воспринимать инструменты как часть самого себя лежит в области самосознания и человека, и (как минимум) других высших приматов.

Одежда, предметы быта, рабочие или музыкальные инструменты, — всё это люди ощущают как часть самих себя. И это не просто ощущение, а “нейронная реальность” нашего мозга….

***

Опираясь на пластичность мозга, исследователи уже приступили к следующей ключевой задаче в создании эффективных мозго-компьютерных интерфейсов: осуществить обратную связь — непосредственно передать в мозг информацию от компьютера или роботизированного протеза.

Полноценная обратная связь — одна из главнейших особенностей “интерфейса”, связывающего наше тело с мозгом. Мозг не только отдает команды на выполнение какой-либо задачи (в таком случае он просто не знал бы, совершила ли, например, рука какое-либо действие и совершила ли она его правильно) — мозг получает огромное количество информации о состоянии организма и положении частей тела друг относительно друга и об их контактах с окружающими предметами. Попытаться воссоздать всё это в искусственных системах мозг-компьютер — такова задача…

Здесь также одно из первых достижений принадлежит исследователям из Института Дюка.

В их последнем эксперименте обезьяны должны были управлять виртуальной рукой на экране компьютера. Управление осуществлялось как с помощью джойстика, так и через уже опробованные имплантаты в моторных участках коры головного мозга. Но в дополнении к этому в мозг обезьян были введены электроды в зоны, ответственные за восприятие тактильной информации.

С помощью этих электродов в мозг подавались различные сигналы, которые соответствовали сигналам, производимым мозгом, когда обезьяны ощупывали предметы определенной текстуры.

В ходе эксперимента обезьяну удалось обучить выбирать виртуальной рукой кружок определенной “текстуры”, т.е. тот кружок, при наведении на который в мозг обезьяны посылался определенный набор импульсов. 

Причем вначале она управляла своей третьей рукой с помощью джойстика, а затем эксперимент перешел в полностью “нейро-виртуальное” измерение. И управление, и тактильная информация были завязаны на мозг — сигналы передавались между нейронами головного мозга и компьютером непосредственно и в обе стороны. Зрение обезьяной использовалось лишь для того, чтобы перевести виртуальную руку с одной мишени (варианта ответа) на другую:

Эксперименты с животными открыли новые горизонты в нашем понимании того, как работает наш мозг и какие возможности могут у нас быть по его использованию. Но ближайшая задача — это создание полноценного способа взаимодействия с окружающим миром для парализованных людей.  Эксперименты в построении мозг-компьютерного интерфейса для человека начались почти одновременно с опытами с животными.
Но об этом в следующей статье (в ней мы в т.ч. подробно опишем событие 2011 года — успешное тестирование в университете Питсбурга “руки робота”, которой управлял полностью парализованным Тим Хеммес).