Команда исследователей из Университета Карнеги-Меллона, работающая с сотрудниками Университета Миннесоты, сделала прорыв, который может помочь парализованным пациентам и людям с расстройствами опорно-двигательного аппарата.
Используя неинвазивный (не имплантированный) интерфейс мозг-компьютер (BCI), инженеры разработали первую успешную роботизированную руку, управляемую человеческим мозгом, которая может непрерывно отслеживать и следовать за курсором компьютера.
Было показано, что BCI достигают хороших показателей для управления роботизированными устройствами, используя только сигналы, воспринимаемые от мозговых имплантатов. Если роботизированные устройства можно контролировать с достаточной точностью, то они могут выполнять различные ежедневные задачи для людей с ограниченными возможностями.
Однако до сих пор интерфейсы мозг-компьютер, успешно управляющие роботизированной рукой, основывались на имплантированных устройствах мозга. Эти устройства требуют значительного медицинского и хирургического опыта для правильной установки и эксплуатации, не говоря уже о высокой стоимости и потенциальных рисках для человека. Таким образом, их использование было ограничено несколькими клиническими случаями.
Главная задача исследований интерфейса мозг-компьютер заключается в разработке менее инвазивных или даже полностью неинвазивных способов, позволяющих парализованным пациентам контролировать свое окружение или роботизированные конечности, используя собственный мозг и мысли в качестве контроллера управляющих сигналов.
Однако BCI, которые используют неинвазивное внешнее зондирование, а не мозговые имплантаты, получают «более грязные» сигналы, что приводит к менее точному контролю. При использовании только мозга для управления роботизированной рукой неинвазивный интерфейс мозг-компьютер не противопоставить по качеству и точности сигналов имплантированным устройствам. Несмотря на это, исследователи BCI все же попытались разработать менее инвазивные или неинвазивные способы помощи пациентам.
«Достижения в области нейронного декодирования и практического использования неинвазивного управления роботизированными руками будут иметь серьезные последствия для возможного развития неинвазивной нейроборотики», — отмечает Бин Хе, руководитель отдела биомедицинской инженерии университета.
Используя новые методы восприятия и машинного обучения, он и его лаборатория могут получить доступ к сигналам глубоко в мозгу, что дает им высокое разрешение управления роботизированной рукой. Благодаря неинвазивной нейровизуализации и новой парадигме непрерывного преследования он преодолевает шумные сигналы EEG. Это, в свою очередь, приводит к лучшему нейронному декодированию на основе EEG и улучшению непрерывного управления роботизированными устройствами в режиме реального времени.
Впервые команда использует неинвазивный интерфейс мозг-компьютер для управления роботизированной рукой, которая отслеживает курсор на экране компьютера, и рука может непрерывно следовать за курсором. В предыдущих попытках роботизированные руки, контролируемые людьми, неинвазивно следовали за движением курсоров резкими, дискретными движениями, как будто рука пыталась «догнать» команды мозга. Теперь рука следует за курсором по плавному непрерывному пути.
Команда также улучшила «мозговой» и «компьютерный» компоненты BCI, увеличив вовлечение пользователей и обучение, а также повысив пространственное разрешение неинвазивных нейронных данных с помощью визуализации источника EEG. Эти подходы улучшили обучение интерфейса мозг-компьютер почти на 60% для традиционных задач централизации и улучшили непрерывное отслеживание курсора более чем на 500%.
Эта технология также имеет приложения, которые могут помочь различным людям, предлагая безопасный, неинвазивный «контроль сознания» устройств, который позволяет людям взаимодействовать с окружающей средой и контролировать ее. На сегодняшний день технология была опробована на 68 работоспособных людях (до 10 сеансов для каждого субъекта), включая управление виртуальным устройством и управление роботизированной рукой для непрерывного «преследования» движущейся на мониторе точки. Технология непосредственно применима к пациентам, и команда планирует провести клинические испытания в ближайшем будущем.
«Несмотря на технические проблемы с использованием неинвазивных сигналов, мы полностью привержены тому, чтобы донести эту безопасную и экономичную технологию до людей, которые могут извлечь из этого выгоду», — сказал он. «Эта работа представляет собой важный шаг в неинвазивных интерфейсах мозг-компьютер, технологии, которая когда-нибудь может стать повсеместной вспомогательной технологией, помогающей всем, например как смартфоны».
