Нейрокомпьютерный интерфейс научили справляться с двумя руками

Новое декодирующее устройство позволяет расшифровывать нейронные сигналы, координирующие работу обеих рук, и управлять с их помощью сразу двумя виртуальными конечностями.

Миллионы людей вынуждены жить с парализованными конечностями, и до сих пор единственное, что облегчает их участь, это инвалидные коляски разной степени продвинутости. Но когда в начале 2000-х нейробиологи создали нейрокомпьютерный интерфейс, у парализованных людей появилась надежда на то, что чувствительность и подвижность могут вернуться и к ним — хотя бы и в виде искусственных конечностей.

Под нейрокомпьютерным интерфейсом понимают устройство, которое позволяет расшифровать нейронные сигналы мозга, относящиеся к какой-то части тела — скажем, к руке или ноге. Очень часто паралич наступает после повреждения спинного мозга, когда нервные провода не могут передать сигнал исполняющей мышце из центральной нервной системы. Со временем нейробиологи поняли, что необязательно стараться залечить спинномозговое повреждение (да и не всегда это возможно), что вместо этого можно передать сигнал прямо из мозга с помощью электронных микросхем. Но для этого нужно знать, какие нейроны управляют конечностями и что именно они командуют своими сигналами. И, если узнать всё это, можно научить мозг чувствовать искусственную ногу или руку, как свою собственную.

В этой области ведутся интенсивнейшие исследования, и одним из лидеров тут является группа Мигеля Николелиса (Miguel Nicolelis) из Медицинской школы Университета Дьюка (США). Г-н Николелис — признанный авторитет в дешифровке нейронных сигналов и создании нейрокомпьютерных устройств; не так давно, например, мы сообщали об эксперименте, в котором он и его группа добились межмозговой радиосвязи, пока, правда, только между крысами и не 100-процентной эффективностью.

Мигелю Николелису и его коллегам удалось создать устройство, которое позволяло контролировать руку компьютерного аватара непосредственно, так сказать, из мозга: сигналы нейронов считывались прибором и передавались на виртуальную конечность, которая двигалась в соответствии с ними. И раз уж мы произнесли слово «аватар», нельзя не заметить, что всё это довольно сильно напоминает одноимённый фильм, с тем лишь исключением, что аватар в таких экспериментах пока что виртуальный, а сами опыты ставятся лишь на обезьянах.

Научившись декодировать сигналы для одной руки, исследователи взялись за разработку нейрокомпьютерного интерфейса сразу для двух конечностей. Но задача оказалась на много порядков сложнее. В повседневной жизни мы, разумеется, пользуемся в равной степени обеими руками (и ногами), но при этом не осознаём, сколь тонкую работу выполняет наш мозг, чтобы скоординировать движения конечностей. И нейрокомпьютерное устройство этот «функционал» должно как-то воспроизвести.

Исследователи записали активность примерно 500 нервных клеток из разных областей лобной и теменной долей коры обоих полушарий макак. С помощью специального алгоритма активность нейронов была сопоставлена с теми или иными движениями рук — для этого дешифрующую программу тренировали на резусах, которые либо управляли виртуальными руками с помощью джойстика, либо просто пассивно наблюдали за движениями аватара.

В журнале Science Translational Medicine учёные отмечают, что у большинства нейронов рисунок активности менялся, когда одновременно действовали обе руки. Иными словами, скоординированная работа конечностей подчиняется другим сигналам, нежели работа рук по отдельности.

Со временем макаки научились двигать виртуальными руками, выполняя с их помощью некие действия. Например, они одновременно дотрагивались до каких-нибудь объектов. То есть интерфейс действительно помогал выполнять координированную работу посредством одной лишь «силы мысли». При этом, по словам учёных, в мозге резусов происходили некоторые изменения, говорившие о том, что виртуальные конечности всё прочнее встраивались в представление мозга о собственном теле.

Если же к мозгу макак для сравнения подключали два «одноручных» интерфейса, то координация была низкой и заметно уступала интегрированному «двуручному» устройству. И это ещё раз подтверждает то, что совместная работа конечностей — это не просто сумма активностей нейронов правой и левой рук, а некий качественно отличающийся принцип работы, и простым суммированием нейронов тут ничего не добиться.

Да, это ещё не собственно нейрокомпьютерный протез, а лишь программа, которая может стать переводчиком между мозгом и искусственной рукой, однако, думается, львиная доля работы в этом направлении уже сделана — в этом случае понять, чего хочет мозг, гораздо труднее, чем потом объяснить это машине.