Ученые-неврологи испытывают вдохновение от возможности природного управления движением, что можно использовать для создания новых протезов, которые смогут лучше заменить функцию конечностей человека. В новой работе исследователи протестировали несколько устройств, управляемых мозгом, – от колясок до роботов и усовершенствованных конечностей, — которые позволяют их пользователям умственно выполнять задания.

Умные нейропротезы

Эти нейропротезы декодируют сигналы мозга для определения тех действий, которые хотят сделать их пользователи, а затем используют усовершенствованную робототехнику для координации и организации движений. Хосе дель Р. Миллан, который представлял новую работу на конференции Cognitive Neuroscience Society в Сан-Франциско 30 марта 2015 года, считает, что использование нейропротезов позволяет их пользователям выполнять более сложные задачи.

Миллан, исследователь Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (Швейцария) начал свою карьеру с разработки автономных роботов, которые могли бы обучаться на собственном опыте. Затем он стал очень заинтересованным, чтобы эти роботы могли помочь людям с ограниченными возможностями «очень природным, прямым и интуитивным путем». «А что может быть более прямым, чем декодирование намерений пользователя из сигналов его мозга?» — говорит Хосе Миллан.

Миллан начал работать над нейрокомпьютерным интерфейсом, созданием устройств, использующих активность мозга людей для восстановления функций конечностей, обеспечения мобильности с помощью инвалидных колясок или телеуправляемых роботов.

«Протезы и роботы под управлением нашего нейрокомпьютерного интерфейса умны, так как они могут интерпретировать много деталей, которые не обязательно закодированы в ментальных командах», — говорит Миллан. Важно отметить, что они также могут работать автономно, если человек не хочет изменить их деятельность. Эта функция отображает, как глубокие структуры человеческого мозга, спинной мозг и костно-мышечная система работают сообща в многих рутинных заданиях, позволяя телу человека выполнять простые задачи, когда его внимание сосредоточенно на чем-то другом.

В новейшей работе Милана и его коллег, они протестировали различные нейроуправляемые устройства у людей с двигательными нарушениями, в некоторых случаях достаточно тяжелыми. Участники успешно исполняли сложные задания, такие как письмо и движение, на том же уровне возможностей, что и контрольная группа здоровых людей.

Они управляли этими устройствами с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ), которая снимала электрическую активность мозга. Использование ЭЭГ имеет то преимущество, что она может быть записана неинвазивно, при помощи датчиков на голове, не требует хирургического вмешательства и сложного оборудования. «ЭЭГ также предоставляет глобальную картину активности головного мозга, необходимую для декодирования всего разнообразия нейронных связей, которые мы хотим использовать», — объясняет Хосе Миллан.

Участники нуждались в относительно коротком тренировочном периоде, не более чем 9 уроков, перед тем, как они смогли управлять устройствами. Те, кто использовали телеуправляемых роботов, могли успешно ориентироваться в условиях, где они никогда не бывали. Ключом к успеху, по словам Милана, была концепция «совместного контроля» – использование сенсорных возможностей робота для интерпретации команд человека в их контексте.

У пользователей нейрокомпьютерного интерфейса намерение и принятие решений происходит в основном в коре головного мозга. Но, как отмечает Миллан, много элементов движений обрабатываются в стволе мозга и спинном мозге. С созданием интеллектуальных устройств для контроля неосознанных движений в согласии с активностью головного мозга из нейрокомпьютерного интерфейса, нейропротезы становятся ближе к природному контролированию движений. «Мы стремимся к такому взаимодействию с этими нейропротезами, как будто они – наше новое тело, используя те же нервные сигналы и принципы, которые контролируют наши мышцы», — сказал Хосе Миллан.

В качестве примера нового типа нейропротезов, Миллан предоставил инвалидную коляску, которую он и его коллеги создали в прошлом году. Ее пользователи могут надежно и безопасно управлять коляской на протяжении длительного периода времени в результате использования системы «совместного контроля», которая уменьшает когнитивную нагрузку. Эти коляски сейчас находятся на стадии их оценки, чтобы удостовериться, что они будут работать в повседневных условиях большого количества людей с двигательными расстройствами.

Двумя наибольшими проблемами нейропротезирования являются изобретение новых физических интерфейсов, в дополнение к ЭЭГ, которые смогли бы работать постоянно на протяжении длительного периода времени, а также обеспечение широкой сенсорной обратной связи. «Эта сенсорная информация может позволить пользователям ощущать нейропротезы и окружающую среду, что важно для его способности управлять протезом, ощущать частью собственного тела», — говорит Миллан.

«Мы должны декодировать и интегрировать в контур управления протезом информацию о восприятии познавательных процессов пользователя, что имеет большое значение для волевого взаимодействия», — указывает Миллан. Эти процессы включают в себя настороженность к ошибкам, сделанным устройством, ожидание точек критических решений и провалы внимания.

«Будущие нейропротезы – роботы и экзоскелеты, управляемые с помощью нейрокомпьютерного интерфейса, — будут тесно связаны с пользователем, в результате чего система сможет заменить и восстановить нарушенные функции конечностей, потому что она будет контролироваться теми же нервными сигналами, что и их природные аналоги, — говорит Хосе Миллан. – Это уже больше не научная фантастика. Вопрос сейчас состоит в том, какие компоненты являются ключевыми для гарантии надежной и длительной работы нейропротезов, и когда они будут частью клинических возможностей, доступных людям с двигательными расстройствами».