Мозговые интерфейсы (original) (raw)

Для того, чтобы при помощи одной только ментальной энергии поднять стакан на несколько футов, волшебникам приходилось тренироваться по несколько часов в день. Иначе принцип рычага легко мог выдавить мозг через уши.

Терри Пратчетт, "Цвет Волшебства"

Очевидно, венцом человеко-машинного интерфейса должна стать возможность управления машиной одним только усилием мысли. А получение данных прямо в мозг - это уже вершина того, чего может достичь виртуальная реальность. Идея эта не нова и уже много лет фигурирует в самой разнообразной фантастической литературе. Тут и практически все киберпанки с прямым подключением к кибердекам и биософтами. И управление любой техникой посредством стандартного мозгового разъема (например, у Сэмюэля Дэлани в романе "Нова"), и масса всяких других интересных вещей. Но фантастика - это хорошо, а что делается в реальном мире?

Оказывается, разработка мозговых интерфейсов (BCI или BMI - brain-computer interface и brain-machine interface) идет полным ходом, хотя об этом мало кто знает. Конечно, успехи весьма далеки от того, про что пишут в фантастических романах, но, тем не менее, они вполне заметны. Сейчас работы над мозговыми и нервными интерфейсами, в основном, ведутся в рамках создания различных протезов и устройств для облегчения жизни частично или полностью парализованным людям. Все проекты можно условно поделить на интерфейсы для ввода (восстановление или замена поврежденных органов чувств) и вывода (управление протезами и другими устройствами). Над двунаправленными системами взаимодействия с мозгом, насколько я знаю, не работает пока никто. Еще один важный критерий, по которому можно разделить существующие разработки, - степень травматичности, то бишь, необходимость хирургического вмешательства. Во всех случаях прямого ввода данных необходимо производить операцию по вживлению в мозг или нервы электродов. В случае вывода можно обойтись внешними датчиками для съема электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Впрочем, ЭЭГ - инструмент достаточно ненадежный, поскольку череп сильно ослабляет мозговые токи и получить можно только очень сильно обобщенную информацию. В случае вживления электродов можно снимать данные непосредственно с нужных мозговых центров (например, двигательных). Но такая операция - дело нешуточное, так что пока эксперименты ведутся только на животных. Однако, перейдем к живым примерам.

Ввод

Сначала поговорим о вводе информации. Уже достаточно давно созданы и используются такие устройства, как слуховые имплантанты (cochlear implant, также известный как улитковый имплантант), предназначенные для восстановления слуха у людей с частично поврежденным слуховым нервом (то есть для тех, кому обычный слуховой аппарат уже не поможет). Действует это устройство следующим образом - во внутреннее ухо вживляется массив электродов (до нескольких десятков штук), которые электрическими импульсами раздражают уцелевшую часть слухового нерва и таким образом создают в мозгу ощущение звука. Коробочка с электроникой, генерирующей эти импульсы, вживляется в черепную кость за ухом. Сигналы на нее подаются с микрофона и специального речевого процессора через индукционную катушку.

Схема установкислухового имплантанта

Устройство, конечно, не полностью восстанавливает слух, но большинство прооперированных начинают воспринимать на слух речь и слышать окружающие звуки. Некоторые даже могут свободно говорить по телефону и слушать музыку.

Первые эксперименты по воздействию на слуховой нерв электрическими импульсами с целью восстановления слуха проводились еще в 50-х годах. В 70-х начали делать первые пробные операции по вживлению слуховых имплантантов, а в начале 80-х появились первые коммерческие устройства, и операции по их вживлению превратились из экспериментальных во вполне рутинные. Сейчас разработка и производство слуховых имплантантов уже стали самостоятельной частью медицинского бизнеса и занимается этим несколько десятков различных фирм. Так что эту технологию можно считать вполне сформировавшейся.

Более сложную задачу представляет собой ввод в мозг зрительной информации и создание зрительных протезов. В первую очередь, это связано со значительно более сложной организацией зрительных центров, по сравнению со, скажем, слуховыми. Как выяснилось, для передачи более-менее правдоподобного звукового ощущения достаточно использовать порядка 20-30 каналов одновременно (причем, большее влияние на качество звука оказывает даже не количество каналов, а правильное расположение соответствующих электродов). А сколько каналов надо, чтобы передать хотя бы примитивную картинку в VGA-разрешении - 320x240 получается 76 тысяч пикселов, и вживить такой массив электродов в мозг пока просто нереально. Но работы ведутся. В частности, Добеллевским институтом (Dobelle Institute,www.dobelle.com) еще с 70-х годов разрабатывается система искусственного зрения Artificial Vision System, предназначенная для восстановления зрения у слепых. Система эта представляет собой миниатюрную видеокамеру, закрепленную на оправе очков.

Сигнал с камеры обрабатывается портативным компьютером и передается на разъем, вмонтированный в задней части черепа пациента.

Оттуда он, при помощи имплантированных электродов, поступает непосредственно в область мозга, отвечающую за зрение (visual cortex). Конечно, о полном восстановлении зрения речь не идет - пациенты видят только что-то вроде белых точек, очерчивающих предметы (так называемые phosphenes). Однако, научившись интерпретировать даже такую неполную визуальную информацию, некоторые из них уже могут свободно перемещаться по помещению и даже медленно водить машину (правда, только на территории института). Скорость обновления кадров составляет от 1 до 5 в секунду. Операция уже проводится коммерчески и оценивается примерно в $120K. Надо сказать, что данная технология позволяет вернуть зрение только людям, потерявшим его в результате несчастных случаев - то есть тех, кто уже "умел видеть" раньше.

Первая имплантация такого зрительного протеза была проведена еще в 1978 году, однако это была, скорее, проверка идеи на практике (компьютер, обрабатывающий изображение, тогда занимал почти целую комнату и ни о какой мобильности речь даже не шла, да и картинка состояла всего из нескольких точек). В 2000 году была произведена имплантация улучшенной системы другому пациенту - в этом случае массив электродов позволял формировать порядка 60 точек, что значительно улучшило картинку. В последних операциях, проведенных в Dobelle Institute в 2002-2003 годах, использовались два массива электродов (242 электрода в каждом), имплантированных в оба полушария мозга. Такая система уже позволяет получить картинку, состоящую из нескольких сотен пикселов (предположительно, матрицу 15 на 15). Вообще же считается, что для создания более-менее приличной зрительной картины необходимо хотя бы порядка 1000 пикселов (то есть матрица 30 на 30) и не меньшее количество электродов. Насколько это возможно, покажет время. Но у такой системы есть один несомненный плюс - к ней можно подключить не только простую камеру, но и инфракрасную, ультрафиолетовую, рентгеновскую... Насколько при этом расширятся возможности зрения, трудно даже представить.

Впрочем, Dobelle Institute - не единственное место, где пытаются вводить в мозг визуальную информацию. Порядка десяти других крупных исследовательских групп разрабатывают более-менее аналогичные технологии. Познакомиться с их списком и достижениями можно по адресам www.bioen.utah.edu/cni, www.biomed.brown.edu/Courses/BI108/ BI108_1999_Groups/Vision_Team/Vision.htm. Основные различия заключаются в типе имплантируемых электродов. В случае Dobelle Institute электроды просто накладывались на поверхность мозга и для стимуляции необходимо было подавать достаточно высокие напряжения (порядка 10 вольт, ток несколько миллиампер), что могло спровоцировать припадки наподобие эпилептических. Разрабатываемое, например, в университете Юты устройство должно проникать в мозг на глубину нескольких миллиметров. При этом необходимая сила тока падает до десятков микроампер. Но тут уже возникают трудности с созданием подходящих массивов проникающих электродов и их имплантацией.

Другие возможные способы ввода визуальной информации в мозг - через стимуляцию зрительного нерва или сетчатки. Первым способом особых результатов пока добиться не удалось. Группа ученых из бельгийского University catholique de Louvain имплантировала добровольцу электроды, стимулирующие зрительный нерв, и подтвердила возможность генерировать с его помощью все те же светящиеся точки (phosphenes). Однако управлять изображением им не удалось. С сетчаточными имплантантами дело обстоит лучше. Вот два, пожалуй, самых известных проекта.

В 2000 году группа из университета Иллинойса (University of Illinois) и Чикагского медицинского центра (Chicago Medical Center) провела первую операцию по вживлению в глаза пациентов микросхем искусственной сетчатки. Собственно говоря, искусственная сетчатка - это слишком громко сказано. Пока что группа, состоящая из доктора Алана Чоу (Alan Chow), Голама Пеймана (Gholam Peyman) и Хосе Пулидо (Jose Pulido), имплантировала под сетчатку пациентов (больных retinitis pigmentosa, вызывающей потерю фоточувствительных клеток сетчатки и, как следствие, практически полную потерю зрения) кремниевую микросхему (диаметр около 2.5 миллиметров, толщина 0.002 мм), содержащую порядка 3500 фоточувствительных ячеек (наподобие солнечной батареи). Надо заметить, что имплантант не требует внешнего питания или сигналов, так как электрические импульсы вырабатываются им самим под воздействием попавшего в глаз света (как и в естественных фоторецепторах). Имплантант также не подключается к глазному нерву, а должен стимулировать собственную сетчатку пациента (фактически, только заменять отмершие фоторецепторы). Исследовательская группа вскоре преобразовалась в фирму Optobionics (www.optobionics.com), занимается дальнейшей разработкой своей искусственной сетчатки (она так и называется - Artificial Silicon Retina) и провела операции по ее вживлению 10 пациентам. У всех прооперированных резко улучшилось зрение и не наблюдается никаких побочных последствий вроде инфекций или отторжения имплантанта.

Более интересные проекты разрабатываются в Университете Джона Хопкинса, в MIT, в Гарварде, а также компанией Second Sight (www.2-sight.com) и еще несколькими институтами. Все эти организации работают над созданием так называемого epi-retinal имплантанта, который должен находиться непосредственно на поверхности сетчатки. В остальном, принцип действия очень похож на Artificial Silicon Retina. Массив электродов точно так же стимулирует клетки сетчатки, создавая таким образом изображение. Правда, дальше начинаются отличия. Исходная картинка во всех этих проектах регистрируется внешней видеокамерой, затем обрабатывается компьютером и потом передается на имплантант. Передача во всех случаях предусматривается беспроводная - либо засветка фотодиодов лазером (лазер при этом должен находиться непосредственно перед глазом, например, в очках), либо по радио.

Вот так должен работатьсетчаточный имплантантSecond Sight

Пока что был испытан только прототип разработки Second Sight. Он представлял собой микросхему размером 5х5 мм, содержащую массив из 16 электродов. Данные на устройство передавались с имплантированного в череп за ухом приемника. Получивший такой имплант доброволец действительно смог видеть световые точки и даже различать отдельные статические предметы - так что опыт оказался вполне успешным. Но об имплантировании устройств высокого разрешения речь пока не идет. И все же, возможно, "цейсовские глаза" не так уж далеки от реальности.

Это были, как я уже сказал, наиболее интересные проекты по вводу информации в человеческий мозг. А в следующий раз поговорим о том, как можно вывести информацию из мозга и использовать ее для управления различными устройствами.

(Окончание следует)

Константин АФАНАСЬЕВ