Устройства, управляемые «силой мысли», распознают моторные команды мозга, фиксируя активность нескольких сотен нейронов, ничтожно малой части миллионов нервных клеток, задействованных в процессе управления движениями. Ошибки считывания и интерпретации сигналов уменьшают скорость и точность работы нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ). В Стэнфорде разработана методика анализа данных, позволяющая снизить количество таких ошибок.
В норме связь между мозгом и мышцами, позволяющая выполнять разнообразную работу, не требует никаких осознанных усилий. Но ряд неврологических заболеваний либо травма спинного мозга затрудняют или делают невозможным управление целыми группами мышц. Для помощи таким пациентам создаются протезы, управляемые с помощью НКИ. Эти устройства снимают сигнал в ответственных за движение регионах мозга и генерируют управляющие команды для устройств, например, виртуальных клавиатур.
Но мозг устроен сложно. Действия и мысли вызваны работой миллионов нейронов — биологических переключателей, создающих динамическую структуру.
Протезы с управлением с помощью НКИ в настоящее время способны регистрировать активность всего нескольких сотен нейронов, но механизм должен выполнять моторные команды, для которых мозг задействует миллионы нейронов. Поэтому любые погрешности в выборке — нейроны, которые «включаются» слишком быстро или слишком медленно, — уменьшают точность и скорость работы контролируемых клавиатур.
Междисциплинарная команда под руководством профессора Стэнфорда Кришны Шеноя (Krishna Shenoy) разработала технику, увеличивающую точность работы НКИ. Протез чрезвычайно быстро анализирует сигналы доступной ему группы нейронов, сравнивая их с определёнными паттернами активности головного мозга.
Ранее профессор Шеной, изучая мозг обезьян, задался вопросом: как нейроны синхронизируют свои действия, чтобы выдать, в конце концов, нужный сигнал мускулам. Было обнаружено существенное изменение активности части нейронов в момент, предшествующий движению мышц. Другие нейроны, наоборот, снизили свою активность, и сигнал мускулам о сокращении не поступал. В момент же, когда это сокращение начиналось, общая активность нейронов резко менялась, причём менялась синхронно в обоих участках мозга, отвечающих за движения рук.
Математический анализ полученных данных позволил найти сигнал, помогающий обоим участкам работать совместно и слаженно.
Новые знания о взаимодействии клеток мозга легли в основу математических моделей разрабатываемого НКИ.
Команда Шеноя протестировала НКИ, позволяющий управлять курсором виртуальной клавиатуры. Система разработана для людей с параличом и боковым амиотрофическим склерозом, она позволит парализованному человеку управлять электрической инвалидной коляской с помощью компьютера или планшета.
«Использование контролируемых мозгом протезов приведёт к существенному улучшению качества жизни инвалидов, — говорит Шеной. — Скорость и точность, продемонстрированные этим протезом, стали результатом многолетних фундаментальных исследований в области нейрологии и применения этих научных открытий в комплексе с принципиально новой разработкой математических алгоритмов управления».
