Кирилл В (vakhnenko) wrote,
Кирилл В
vakhnenko

Category:

Мозго-машинный интерфейс

Точнее будет сказать мозго-компьютерный интерфейс. Brain-machine interface это устаревший термин, но лично мне он больше нравится. Одно из самых футуристических и в то же время наименее финансируемых направлений нейробионики =)

Под катом -- многобукв на тему input/output человеческого мозга. Есть небезынтересные фото, и пара видео.

Картинка для привлечения внимания:




Input

По сути на сегодняшний день состоит только из т.н. глубокой стимуляции мозга (Deep Brain Stimulation, DBS). Есть эксперименты со стимуляцией зрительной коры мозга у слепых и проч, но о них писать не буду -- там все только начинается, да и имхо не так уж интересно.

Итак, DBS. Имплантат которые соответствует заветам дедушки Дельгадо - всунем в мозг проводник, подадим ток и посмотрим что получится. Без дураков: открыли данный метод когда французский врач выжигал электрическим током проблемную часть мозга пациента -- она была источником эпилепсий -- и заметил что симптомы у пациента внезапно прекратились задолго до того как была достигнута величина тока которая необратимо уничтожает мозговую ткань.

Что оно из себя представляет. На рисунке показан имплантат с двумя электродами; это система второго поколения вышедшая в 2004 году.


В определенную часть мозга вставляется электрод. Точное положение определяется либо при помощи диагностических методов, либо с помощью внедрения микроэлектродов в мозг во время операции и поиска нужной зоны которую определяют по изменению сигнала. Потом в "сумку" на плече зашивают батарею и проводят питание под кожей к темечку. Доктор может контролировать несколько параметров прибора, вроде амплитуды стимуляции, её частоты, и ширины импульса.

В настоящий момент данный метод разрешен к медицинскому использованию FDA, для лечения болезни Паркинсона. В будущем им что только не собираются лечить-от депрессии и эпилепсии до обжорства и Альцхаймера (возможно). Почему данная непростая операция может быть предпочтительней обычных лекарств: в случае с Паркинсоном, у лекарств типа Леведопы есть крайне неприятные побочные эффекты вроде головокружения, потери аппетита, рвоты и прочих радостей. При депрессии 20% пациентов вообще не поддаются лечению обычными лекарствами, вроде Паксила; при эпилепсии DBS предпочтительней электроконвульсивной терапии или удалению проблемных частей мозга.

На 2007 год было 190,000 людей с имплантированной DBS системой Activa производства Medtronic (монстр в мире биомеда). Стоимость операции - $50,000-60,000, однако в долговременной перспективе пациент выигрывает финансово (не надо тратиться на дорогостоящие лекарства).

Что интересно, до сих пор не вполне понятны механизмы работы DBS. Есть несколько теорий, но какая их них верна-непонятно.

Ну и в качестве бонуса. Границы стимуляции мозга, точнее какой именно импульс он может выдержать без риска повреждений.



Output

Запись сигналов которые генерирует мозг. При повреждении/потере конечности можно будет сделать новую/функционально активировать парализованную максимально простым (в теории) для пациента путем. Можно управлять коляской. И самое пожалуй важное - прямой контроль компьютера мозгом. Нужно при очень высоких уровнях спинно-мозговой травмы и при повреждениях среднего мозга (скажем инфаркт в вентральных понах) -- когда пациент сознательно может двигать только глазами (и то, только в вертикальной плоскости), но при том сохраняет полную ясность сознания. Человек в буквальном смысле слова заключен в своем собственном теле, жуткое состояние.



Имплантаты

Для начала поговорим об имплантируемых электродах, т.е. то что мы пихаем непосредственно в мозг.

Понятное дело что один электрод будет "видеть" сразу несколько источников тока (т.е. нейронов), причем их амплитуды буду налагаться друг на друга. К счастью есть несколько методов с помощью которых можно "вычленить" одиночный нейрон, т.е. мы в состоянии видить когда тот нейрон активируется. Не буду утомлять деталями, математикой и проч. На фото ниже -- изолированный вашим покорным слугой нейрон; это у меня была одна из лаб. Каждая тонкая красная линия -- одиночная активация нервной клетки.



А теперь интересное. В мозгу есть т.н. моторная зону мозга -- она, грубо говоря, дает те или иные команды мускулам. Когда мы туда вставляем электрод то зачастую можно наблюдать за одиночными нейронами которые ответственны за то или иное движение. Естественно один электрод нам даст очень мало данных (если вообще что-то даст), потому обычно "стреляют по площадям" -- имплантируют электроды с десятками, а то и сотнями контактов.

У мужика с фотографии "для привлечения внимания" наверху -- электродная решетка в мозгу. Агрегат компании Cyberkinetics под названием Braingate. Сто электродов, с их помощью в среднем получается изолировать 15-40 нейронов с приемлимым уровнем сигнала


Электродная решетка Braingate крупным планом


Еще одна электродная решетка, уже с другого имлантата


Иной тип электрода -- продольный



Один из моих профессоров написала докторскую по 3D контролю курсора мозгом в резус макаках. Сначала она определила где именно у макаки находился участок мозга, ответственный за руку. Туда влупили электродную решетку, изолировали пятнадцать нейронов, активацию которых можно было очень хорошо наблюдать.

После этого макакам оградили поле зрения и привязали руки к подлокотникам. Сначала макаки пытались двигать руками когда они двигали курсор, но через несколько дней они уже могли с неплохими точностью и скоростью контролировать движение курсора сохраняя неподвижность рук: нервная система адаптировалась. Можно сделать интересную аналогию с подразделами коры головного мозга. Скажем есть слуховая кора, есть моторная, есть зрительная, а тут искусственно создали "компьютерную".

Теоретически контроль курсора напрямую мозгом будет точнее чем рукой с мышкой просто в силу как исключения дополнительных искажателей сигнала так и убирания запаздывающих элементов (мускулов). В реальности пока все жостаточно грустно -- сказывается мало кол-во каналов, т.е. электродов которые сумели найти и изолировать приемлимый сигнал. Тут два пути улучшения: увеличивать размер решетки и шлифовать стат. методы анализа.


Обещаное видео. Макака контролирует роботизированную руку своим мозгом.




В качестве бонуса. Мышка с юсбишником в голове


Пару раз видел как ей его в голову вставляют -- мышка громко пищала, было ее жаль.

ЭЭГ

Естественно если бы мы были в состоянии обойтись без дорогостоящей операции, куда больше пациентов согласилось бы на процедуру, и сама она стоила бы дешевле. Плюс, тут уже открывается возможность не-медицинского использования мозго-машинных интерфейсов: для игр, для военных, и так далее.

И тут на помощь приходит электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Мы просто надеваем на голову подопытного энное кол-во электродов, и те считывают прямо с кожи те или иные электрические потенциалы. Естественно одиночные нейроны при этом "не видно" -- на каждом электроде мы просто видим результат работы многих миллионов нервных клеток. Но и с этим можно при желании многого достичь.

Опишу конкретную опытную систему, над которой работали в моем университете. На подопытного надеваются 16 электродов ЭЭГ, в три ряда над моторным отделом коры головного мозга.


На выходе - 22 сигнала, 16 электродов с общей common average reference, и шесть лапласовых. Система мониторит мощность разных частот (в промежутке ~2-200Hz). Пароу лет назад они делили частоты на пять разных полос, так что всего есть 110 каналов, как сейчас не знаю. Компьютер наблюдает за изменениями мощностей в частотных каналах. Когда мозг подает команду моторной коре сделать то или иное движение, это дисинхронизирует активность мозга и уменьшает мощность сигнала в некоторых каналах. Математику расчета движения курсора не буду расписывать, просто скажу система весьма адаптивна -- т.е. не нужно каждый раз с точностью до микрометра ставить ЭЭГ электроды, есть место для ошибки. Да и вообще, даже если электроды не снимать сигнал все равно "плывет", ибо импеданс там довольно велик (в районе килоомов), а сигнал - мизерный.

Я в свое время участвовал в другой лабе, с этим агрегатом. надо было "мыслью" двигать 2D шарик на экране компьютера, попадая им в цель -- другой шарик. Полученный мною график, жаль размер мизерный, но бОльшего я не нашел. Квадратные столбики - позиция цели, тонкая кривая - позиция курсора, Жирная черная линия - уменьшение размера цели (каждый раз при успешном наведенни курсора на цель та уменьшается). Как видно с контролем у меня получилось не очень, но при правильной тренировке можно достигнуть весьма неплохой точности


Причем вместо шариков на экране компа можно двигать и этой робо рукой. Масштабирование из 2D в 3D происходит достаточно легко. Впрочем нам с ней поиграть не дали =)


Второе видео. Опытная система с ЭЭГ.



В качестве бонуса, совет. В последнее время на рынке появились дивайсы для игровых приставок которые типа контролируются мозгом:


Пока что я не вижу причин думать что подобные штуки хоть сколь-нибудь работают -- ибо они и в медецине работают пока так себе. Но уж если вы решитесь на покупку подобной чудо-юды -- удостоверьтесь чтобы хотя бы контакты там были "мокрые" (т.е. прилегают к черепу с помощью геля например). На дивайсе выше они "сухие", так что кроме шума ничего толкового там не будет.

Голимый футуризм

Аля хотим как в матрице. Итак, есть такая штука в мозгу под названием "гиппокампус". Грубо говоря, он ответственнен за перевод кратковременной памяти в долговременную память. То есть в теории если вместо природного воткнуть микруху, появляется шанс напрямую на мозг передавать необходимую информацию, которую человек очень быстро усвоит. Так же, в теории, можно будет создавать более-менее точные копии сознаний.

Причем сама по себе схема гиппокампуса не так уж и сложна, и весьма хорошо изучена. В принципе, создать микросхему на ее замену можно уже в ближайшем будущем, пусть что именно значат проходящие через такую микросхему сигналы мы не будем знать еще очень долго.

И попытки такую схему сделать уже были, см. картинку внизу


У данного конкретного товарища ничего не получилось (злые языки говорят что он вместо работы в лабе больше по презентациям и конференциям разьезжал), но лиха беда начало.
 
Tags: нейробионика
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 7 comments