Но когда неврологическое заболевание или травма спинного мозга разрывают связь между мозгом и конечностями, некогда легкие движения становятся трудными или невозможными.
В последние годы исследователи стремились дать людям, страдающим травмами или заболеваниями, некоторую восстановленную двигательную функцию путем разработки протезов, контролируемых мышлением.
Такие устройства подключаются к соответствующим областям мозга, обходят поврежденные соединения и доставляют мысленные команды таким устройствам, как виртуальные клавиатуры.
Но мозги сложны.
Действия и мысли управляются миллионами нейронов — биологических переключателей, которые срабатывают быстрее или медленнее в динамических паттернах.
Протезы, управляемые мозгом, в настоящее время работают с доступом только к выборке из нескольких сотен нейронов, но им необходимо оценивать двигательные команды, в которых задействованы миллионы нейронов. Такие крошечные ошибки в образце — нейроны, которые срабатывают слишком быстро или слишком медленно — снижают точность и скорость управляемых мышлением клавиатур.
Теперь междисциплинарная группа под руководством инженера-электрика из Стэнфорда Кришны Шеноя разработала методику повышения точности протезов, управляемых мозгом.
По сути, протезы анализируют образец нейрона и вносят десятки корректирующих корректировок в оценку электрического рисунка мозга — и все это в мгновение ока.
Команда Шеноя протестировала управляемый мозгом курсор, предназначенный для работы с виртуальной клавиатурой. Система предназначена для людей с параличом и боковым амиотрофическим склерозом (БАС), также называемым болезнью Лу Герига. БАС ухудшает способность двигаться.
Управляемая мыслями клавиатура позволит человеку с параличом или БАС управлять электронным инвалидным креслом и использовать компьютер или планшет.
«Протезы, управляемые мозгом, приведут к значительному улучшению качества жизни», — сказал Шеной. "Скорость и точность, продемонстрированные в этом протезе, являются результатом многолетних фундаментальных исследований в области нейробиологии и объединения этих научных открытий с принципиальной схемой математических алгоритмов управления."
Динамика мозга
Новая корректирующая техника основана на недавно открытом понимании того, как обезьяны естественным образом выполняют движения руками.
Исследователи изучали животных, которые были нормальными во всех отношениях. Обезьяны использовали свои руки и пальцы, чтобы достигать целей, представленных на видеоэкране. В ходе сотен экспериментов исследователи стремились узнать, как электрические паттерны в образце из 100–200 нейронов выглядели во время обычного охвата. Короче говоря, они пришли к пониманию «динамики мозга», лежащей в основе движений рук.
«Эта динамика мозга аналогична правилам, которые характеризуют взаимодействия миллионов нейронов, контролирующих движения», — сказал Джонатан Као, докторант в области электротехники и первый автор статьи Nature Communications об исследовании. "Они позволяют нам более точно использовать крошечный образец."
В своих текущих экспериментах члены команды Shenoy преобразовали свое понимание динамики мозга в алгоритм, который мог анализировать измеренные электрические сигналы, которые их протезы получали от выбранных нейронов. Алгоритм изменил эти измеренные сигналы так, чтобы динамика образца была больше похожа на базовую динамику мозга.
Цель заключалась в том, чтобы сделать протез, управляемый мыслью, более точным.
Чтобы протестировать этот алгоритм, исследователи из Стэнфорда обучили двух обезьян выбирать цели на упрощенной клавиатуре. Клавиатура состояла из нескольких рядов и столбцов пустых кружков. Когда на определенном круге вспыхивал свет, обезьяны были обучены дотянуться до этого круга руками.
Чтобы установить базовый уровень производительности, исследователи измерили, сколько целей обезьяны могут коснуться пальцами за 30 секунд. Обезьяны в среднем выполняли 29 правильных касаний пальцами за 30 секунд.
В реальном эксперименте оценивались только виртуальные нажатия, которые исходили от управляемого мозгом курсора обезьяны.
Хотя обезьяна все еще могла двигать пальцами, исследователи засчитали попадание только тогда, когда управляемый мозгом курсор, исправленный алгоритмом, отправил виртуальный курсор на цель.
Протез совершил 26 мысленных нажатий за 30 секунд, что примерно на 90 процентов быстрее, чем палец обезьяны. (См. Видео касаний курсора, управляемых рукой и мышью.)
Клавиатуры, управляемые мыслями, не уникальны для лаборатории Шеноя.
В других протезах, управляемых мозгом, используются другие методы для решения проблемы ошибки выборки. Из нескольких альтернативных методов, протестированных командой Стэнфорда, ближайший позволил достичь 23 целей за 30 секунд.
Следующие шаги
Цель всех этих исследований — предоставить людям с БАС протезирование с контролируемым мышлением. Сегодня эти люди могут использовать систему отслеживания взгляда для направления курсоров или «головную мышь», которая отслеживает движение головы. Оба утомительно использовать.
Ни один из них не обеспечивает естественный и интуитивно понятный контроль показаний, полученных непосредственно из мозга.
U.S. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов недавно дало команде Шеноя зеленый свет на проведение пилотного клинического испытания курсора, управляемого мышлением, на людях с травмами спинного мозга.
«Это принципиально новый подход, который может быть дополнительно доработан и оптимизирован для повышения производительности протезов, управляемых мозгом, и, следовательно, большей клинической жизнеспособности», — сказал Шеной.