Подключенные к мозгу имплантаты помогают парализованным пациентам ощущать предметы
На протяжении длительного времени интерфейсы «мозг-компьютер» (ИМК) развивались, предоставляя людям с травмами позвоночника или ампутированными конечностями возможность управлять протезами и компьютерными курсорами с помощью сигналов мозга. Однако, несмотря на прогресс в развитии технологии, воспроизведение тонких, сложных ощущений от прикосновения оставалось недостижимым.
Но теперь группа исследователей из исследовательской группы Cortical Bionics считает, что они совершили значительный прорыв. Два пациента, использующие технологию BCI, смогли управлять бионической рукой и «ощущать» тактильные края, формы и изгибы на ее пальцах. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Бионическая рука чувствует предметы
В течение нескольких лет ученые проводили исследования с участием двух пациентов, которые получили травмы спинного мозга и потеряли контроль над своими конечностями. Для участия в эксперименте участникам были установлены бионические интерфейсы (БКИ) в сенсорные и моторные области мозга, отвечающие за движения рук. Исследователи смогли записать и расшифровать все электрические сигналы, связанные с движениями рук пациентов.
Затем участникам предложили пройти серию сложных испытаний, управляя бионической рукой, расположенной рядом. Их задачей было различать едва заметные изменения на поверхности руки. Пациенты сообщали о таких ощущениях, как края, изгибы и направление движения. Это стало возможным благодаря уникальному методу, разработанному учеными для кодирования естественных сенсорных ощущений.
Джакомо Валле, доцент Технологического университета Чалмерса в Швеции и ведущий автор исследования, отметил, что эта работа «вышла за рамки всего, что было сделано ранее в области интерфейсов „мозг — компьютер“».
— Мы достигли нового уровня искусственного осязания. Мы считаем, что такое богатство ощущений имеет решающее значение для достижения уровня ловкости, манипулирования и многомерного тактильного восприятия, характерного для человеческой руки, — говорится в заявлении Валле.
Как BCI может измерить тонкое прикосновение
Впервые предложенные в теории ученым-компьютерщиком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Жаком Видалем в 1973 году, интерфейсы «мозг-компьютер» работают с помощью электродов, которые получают сигналы мозга человека, анализируют их и преобразуют в форму, которую компьютер может использовать для ввода данных.
На практике это означает, что под черепную коробку пациента хирургическим путём вживляются электроды для непосредственного измерения активности нейронов мозга. Они уже успешно используются для того, чтобы помочь пациентам управлять протезами и даже играть в видеоигры.
В то же время воспроизведение более тонких ощущений, связанных с текстурой или направлением движения, с помощью BCI оказалось сложной задачей и требует еще более продвинутого уровня разработки.
В этом конкретном исследовании был сделан еще один шаг вперед. Хотя базовые двигательные функции, такие как движение искусственной конечности, могут быть достигнуты путем считывания расшифрованных мозговых сигналов пациента, для того, чтобы он ощутил прикосновение, требуется противоположный процесс.
Валле рассказал, что его команде пришлось закодировать сигналы, которые ассоциируются с тактильными ощущениями, а затем отправить их в мозг пациента. Это сложнее, чем может показаться. Тактильные ощущения специфичны и требуют высокой точности. Отправка даже слегка неверных сигналов в мозг пациента вызовет у него ощущение путаницы. Выполнение работы BCI и без того сложно, но кодирование ощущений добавляет совершенно новый уровень сложности.
— Мы должны были передать в мозг информацию на его языке, — сказал Валле.
Эксперименты позволяют на раннем этапе заглянуть в будущее
В ходе экспериментов двум участникам, подключенным к BCI, отправляли тактильные сигналы, а затем просили описать свои ощущения. Сначала они чувствовали границы, как на краю стола, затем сложные формы и изогнутые буквы, а затем распознавали трехмерные объекты и ощущали движение роботизированной руки и пальцев.
Валле отметил, что команда верила в успех, но была удивлена эффективностью процесса при небольшом количестве каналов, отбирающих и анализирующих сигналы мозга.
Он признал, что для полного восстановления осязания потребуется создать цифровую кожу, которая будет прикрепляться к роботизированной конечности и быстро собирать и интерпретировать данные. Высокоразвитый BCI должен принимать эти данные и мгновенно отправлять их в мозг пациента в виде понятного сообщения.
Исследователи добились прогресса в разработке «электронной кожи» и телесных протезов, а финансируемые коммерческие проекты BCI, такие как Neuralink Илона Маска и Synchron, привлекают внимание и инвестиции. Первый пациент Neuralink играл в онлайн-видеоигры и шахматы, второй успешно имплантирован в августе.
Валле считает, что успех в первую очередь зависит от участников. Они работают до трех часов за сеанс, записывая и анализируя сенсорные данные, и закладывают основу для тех, кто может продолжить их работу.
— Без них все это было бы невозможно, — сказал Валле.
Два недавно открытых вещества могут стать эффективным средством для терапии пигментного ретинита — генетического заболевания глаз, которое может привести к полной потере зрения. Подробности в материале 56orb.