Каталог статей и схем


"Передача мыслей на расстояние"

Несколько лет назад на сайте СМР был опубликован материал «Электронные приборы медицинской диагностики. Энцефалографы», в котором рассказывалось о современном определении, понимании и практическом применении этого метода. Но не надо забывать, что десятилетия назад даже в радиолюбительской литературе (Радио, 1955, № 12) метод ЭЭГ был настолько популярен, что сам прибор, электроэнцефалограф, предлагалось повторить в виде практической конструкции, в основе - на лампах. С появлением современных технологий в области цифровой техники, применяя метод ЭЭГ, можно достичь прямого информационного контакта мозга с компьютером и управлять электрической активностью мозга. Своего рода интерфейс: мозг – компьютер (ИМК).

Профессор Александр Каплан, ведущий научный сотрудник кафедры физиологии человека биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова - известный специалист в области анализа ЭЭГ и использования этого сигнала для изучения механизмов деятельности мозга человека при действии лекарственных средств, в состояниях медитации и нервно-психических нагрузок, для диагностики некоторых психиатрических патологий. Он считает, что электроэнцефалография - не просто один из технологических подходов к изучению механизмов деятельности мозга и психического состояния человека, но и инструмент для прямой коммуникации между мозгом и внешней средой.

 

В самом деле, клетки мозга, как уже давно известно, обмениваются информацией благодаря электрическим импульсам. Чтобы подключиться к этой внутренней коммуникации мозга, исследователям нужно было найти путь регистрации электрических полей нервных импульсов, не внедряясь в сам мозг. Например, на поверхности черепа. Расчеты показывали, что это могут быть лишь какие-то миллионные доли вольта. Впервые такое удалось сделать в 1929 г. немецкому психиатру Г.Бергеру. Применив самые чувствительные в то время гальванометры, он смог получить непрерывную запись разности потенциалов между электродами. Так родился метод электроэнцефалографии.

 

Уже в первых исследованиях Бергер обратил внимание на то, что характер колебаний мозговых потенциалов зависит от функционального состояния человека: бодрствует ли он или спит, занят ли какой-то трудной задачей или просто отдыхает... Например, в спокойном состоянии с закрытыми глазами у человека наблюдаются волны достаточно высокой амплитуды с частотой примерно 10 колебаний в секунду. Таким волнам присвоили название «альфа-ритм». Если же человек решает трудную задачу, то альфа-ритм сменяется в 2 раза более частыми колебаниями гораздо меньшей амплитуды - это уже бета-ритм.

Всё говорило о том, что метод ЭЭГ станет высокоинформативным инструментом для исследования мозга и диагностики его заболеваний. Современные микропроцессорные усилители ЭЭГ подсоединяются к компьютеру и составляют единый комплекс регистрации и цифровой обработки сигнала. В настоящее время это самый быстродействующий и практичный метод наблюдения за жизнедеятельностью мозга в норме и при его патологиях. [Далее дело техники - передача данных методом, сродни Wi-Fi, их прием, обработка и управление исполнительным механизмом. Гиперкинез, одним словом… - ред.].

 

«Думающие» крысы и обезьяны

 

Научные исследования в направлении итерфейса «мозг - машина» (ИМК) ведутся в мире уже более 15 лет. Эксперименты проводились на крысах и обезьянах, которым в головной мозг вживляли электроды. Американские нейробиологи Дж.Чапин и М.Николелис, проводя подобные опыты, стремились понять: возможно ли перехватывать команды мозга, формирующиеся при намерении животного совершить то или иное действие? Предполагалось, что такие команды можно будет направить на управление внешних устройств. Для этого крыс с вживленными в мозг электродами сначала обучали управлять рычажком, который подводил поилку с водой к голове животного. Электроды нужны были для того, чтобы определить паттерны электрической активности, которые возникали у крысы при намерении передвинуть рычажок. Как только такие паттерны определили, их соединили напрямую с управлением поилкой. Теперь крысе не нужно было управлять рычажком, ей оставалось только «подумать», и поилка сама поворачивалась к ее рту.

 

Вдохновленные удачными экспериментами с крысами, ученые перешли к обезьянам. Обезьяны с вживленными в мозг электродами еще лучше, чем крысы, освоили навык «мысленного» управления киберманипулятором. Получилось трехрукое животное: свои две руки плюс киберманипулятор! М.Николелис утверждает, что мозг обезьяны и человека может справиться с одновременным управлением естественными и искусственными конечностями.

 

Метод проб и ошибок

 

Управление электроэнцефалограммой возможно для каждого человека, даже для детей. Экспериментальные исследования такого рода проводятся уже не только за рубежом, но и у нас, в России, в лаборатории биофака МГУ. Ученые МГУ разработали действующие макеты ИМК, которые позволяют человеку мысленно управлять, например, игрушечной машинкой с моторчиком. Так же одним мысленным усилием испытуемые в печатали на экране буквы, собирали картинки из элементов мозаики. И все без участия рук! Это, кстати, демонстрировалось с участием десятков желающих огромным успехом в российском павильоне в Шанхае на Всемирной выставке ЭКСПО-2010.

Представьте: человек надевает на голову шапочку с электродами, там же закреплена небольшая коробочка - усилитель биопотенциалов с процессором - и мысленно управляет машинкой. Она поначалу движется то вкривь, то вкось, но постепенно дело налаживается, и машинка начинает с точностью выполнять мозговые команды «направо», «налево», «вперед»…

Мозг как бы запоминает, каким паттернам электрической активности соответствуют «направо и налево». Затем уж по желанию испытуемого начинает воспроизводить такие паттерны.

 

Всё это, отмечает А.Каплан, напоминает катание на велосипеде: когда только учишься, то сначала колеса ведут «не туда», даже падать случается, но методом проб и ошибок человек постепенно овладевает навыком управления двухколесной машиной.

Научившись кататься на велосипеде, я потом делаю это автоматически.

А нельзя ли научиться также автоматически, можно сказать неосознанно, управлять ритмами собственного мозга?

Наиболее трудный этап в создании технологии «мозг - компьютер» (что исследователи буквально штурмуют в настоящее время) заключается в следующем: сделать произвольное управление ЭЭГ автоматизированным, то есть, без какого-либо предварительного обдумывания.

А. Каплан вообще считает, что наш мозг обладает безграничными возможностями. Он удивительно пластичен и способен обучиться виртуозному владению новыми каналами коммуникации с внешней средой, минуя нервы и мышцы.

И хотя исследования в области ИМК ведутся активно во всем мире, об их широком внедрении в жизнь говорить в настоящее время не приходится. Но нет сомнений в том, что пройдут годы, и всё сказанное сегодня будет казаться о6ычным делом, потому что интерфейс мозг - компьютер многократно расширяет возможности человека во многих сферах его деятельности.

 

Путь к реабилитации и выздоровлению

 

Одна из важнейших областей использования современной технологии - конечно же, медицина, речь идет прежде всего о больных с полностью утраченной двигательной функцией. Они нуждаются в устройствах ИМК гораздо больше, чем кто-либо еще. Для этих пациентов оказалось гораздо эффективнее не накладывать электроды на череп, а вживлять их в конкретные структуры мозга. Уже 10 лет за рубежом осваивают технологию ИМК на основе вживленных электродов. Этими электродами можно очень точно подойти к отдельным нервным клеткам и тем самым получить наиболее чистый, незамаскированный многоголосием сотен тысяч клеток, как в классической ЭЭГ, сигнал.

 

Конечно, человек, перенесший тяжелые травмы позвоночника, вряд ли обретет способность полноценного владения конечностями. Но специалисты задаются другой целью: дать возможность людям, парализованным в результате неврологических расстройств или травм, управлять инвалидными колясками или манипулировать механическими конечностями, то есть через внутримозговые электроды и технологию ИМК установить прямую связь между намерением человека к движению и включением соответствующих приводов инвалидной коляски.

 

По словам А.Каплана, вживленные электроды хотя и трудная технология, требующая нейрохирургического вмешательства, но только благодаря ей можно подвести электроды к конкретным моторным областям коры больших полушарий. Иначе говоря, для пациента, полностью лишенного контакта с внешней средой, все-таки лучше пойти на трепанацию и вживление имплантата с электродами для получения надежного результата, например, по управлению курсором компьютера или инвалидной коляской, чем использовать гораздо менее эффективные для ИМК поверхностные электроды. Но пока техника имплантирования чипов в различные моторные зоны головного мозга обездвиженным больным развивается в лабораториях, и до массового практического применения далеко.

 

- Еще одна область использования ИМК - это биоэлектрическое управление протезами конечностей, - рассказывает ученый. - Отечественные разработки в этом направлении были одними из первых в мире. Однако из-за недостаточной производительности вычислительной техники в то время проблема не решилась. В настоящее время у нас ведутся переговоры о запуске проекта «мысленного» управления биомеханическими протезами на основе ИМК-технологий. Предполагается, что приводы, например кисти, могут быть соединены с ЭЭГ через ИМК особого типа, способного к обучению и «подстраиванию» - как к особенностям индивидуальной ЭЭГ, так и к характеру необходимых движений.

 

Еще одна очень перспективная в медицине область применения ИМК – сфера восстановительных и реабилитационных процедур при мозговых расстройствах. Речь идет о типовой ситуации, когда в результате травмы, инсульта или нейрохирургических вмешательств определенные корковые области мозга требуют восстановления. Тренировка - наиболее естественный путь в реабилитации. Однако как тренировать поврежденные области мозга, если пациент их не чувствует, а сама функция, например движение руки, глубоко нарушена? Тем не менее выход есть: надо получить биоэлектрический сигнал или ЭЭГ именно от этой проблемной области мозга и замкнуть его в контур ИМК, и пациент тем самым получает обратную связь, воочию наблюдая, насколько хорошо он овладевает управлением.

 

Определенные надежды специалисты возлагают на применение ИМК у больных, страдающих хроническими формами эпилепсии, поскольку судорожные припадки могут привести к тяжелому поражению мозга. Технология ИМК и здесь готова прийти на помощь медикам и пациентам.

Одно из новейших достижениях в области применения электроэнцефалографии в совершенно неожиданном ракурсе - прямой коммуникации между мозгом и компьютером.

 

Ученые уже понимают, какую неоценимую помощь может оказать людям теснейшее содружество человека и машины, но пока еще было бы слишком опрометчивым обнадеживать пациентов с двигательными расстройствами быстрым внедрением ИМК-технологий. На этом пути - множество проблем, как научных, так и административно-организационных. Возможно, пройдет еще 5 или 10 лет, прежде чем интерфейсы «мозг - компьютер» станут верным способом для помощи инвалидам, окажутся союзниками тренажеров реабилитации и восстановления нарушенных мозговых функций. Наконец, проявят себя в качестве сторожа кризисных состояний мозга, типа эпилептических припадков, нарушения кровообращения или банальных засыпаний водителя за рулем. Научные изыскания свидетельствуют о том, что всё это возможно. Но вот насколько реализуемо, покажут только серьезные клинические испытания.

 

В дайджесте использованы материалы из статьи Татьяны КУЗИВ, опубликованной в «МГ»

 

Категория: Теоретические статьи. | Добавил: Author (11.05.2011) | Автор: Т.Кузив E
Просмотров: 3036 | Теги: ЭЭГ, мозг-компьютер, ИМК, А.Каплан, Альфа-ритм | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]