Интерфейс для головного мозга

Механизм работы мозга всегда был, ну и сейчас остается для исследователей terra incognita. Невзирая на фантастические заслуги нейрохирургии, не существует даже какой-либо цельной теории его функционирования. Но не дожидаясь ее возникновения, инженеры уже на данный момент делают приборы, которые в дальнейшем значительно расширят способности человека.

В1929 году австрийский психиатр Х.

Бергер нашел так именуемые «мозговые волны», которые можно регистрировать по колебаниям электрического поля на поверхности черепа. Он также увидел, что состояние испытуемого значительно меняет свойства этих сигналов. Более видными оказались волны относительно большой амплитуды с частотой около 10 циклов за секунду. Бергер отдал им заглавие «альфаволны». В более активном состоянии Бергер зафиксировал «бета-волны» с более высочайшей частотой. Это открытие привело к созданию электроэнцефалографии (ЭЭГ) — способа исследования мозга, основанного на регистрации и анализе биотоков. Электронная активность мозга появляется уже у плода и прекращается только с пришествием погибели. Она сохраняется даже при глубочайшей коме либо наркозе, хотя и с существенными переменами.

Интерфейс для мозга

Для снятия электроэнцефалограммы на голове закрепляются от 8 до 32 электродов. Для наилучшего контакта со скальпом служит особый электродный гель. Данные регистрирует компьютер. На сей день эта разработка отработана уже так, что в мире есть даже любители, снимающие и изучающие ЭЭГ

На сей день ЭЭГ — один из самых обычных технических методов исследования мозга. Но анализ ЭЭГ позволяет получить только очень общие данные о его работе. Нейрофизиологам и нейропсихологам этого инструмента совсем недостаточно. Другое дело — инженеры, которым хватает тех конфигураций, которые регистрирует энцефалограф.

Интерфейс для мозга

В 2003 году корейские инженеры из компании Lims Technology в сотрудничестве с Институтом провинции Чанбук (Chungbuk Provincial University) решили показать свою разработку, при этом очень ярко, как это обожают делать корейцы. За ранее был проведен анализ разных состояний испытуемого человека. Пациента вводили в состояние гипноза, стращали, смешили, предлагали глядеть на колоритную лампу либо, напротив, погружали в полную мглу. На базе собранных данных на ЭЭГ были выделены признаки, которые с определенной точностью охарактеризовывали состояние человека. Чтоб опыты не перевоплотился в пыточный ужас, решено было ограничиться чувствами, в которые пациент может погружать себя без помощи других.

Если серьезно, то разработчики решили развить работу доктора МГУ Александра Каплана, который занимался составлением каталога так именуемых «ЭЭГ-маркеров неблагоприятных многофункциональных состояний мозга человека». Испытуемый просто может расстроить либо рассмешить себя, что мгновенно отображается на снимаемых с мозга данных. Каталог состояний-маркеров позволил точно идентифицировать состояние человека и переводить их в команды боту. Собрать устройство, которое воспринимает сигнал ЭЭГ, распознает маркеры и конвертирует их в надлежащие сигналы компу, — задачка для студента технического университета.

Этот обычный опыт был продемонстрирован по телевидению. Женщина из числа зрителей надела шлем с электродами. Потом ведущий поведал ей простенькую шуточку, заставив ее улыбнуться, — и маленькая игрушечная машинка двинулась вперед. Это мгновенно вызвало бурю экстаза в зале и у самой девицы, что в свою очередь еще более разогнало игрушку. Потом ведущий поведал печальную историю. Смена настроения участницы немедля принудила машинку откатиться вспять. На этом «обучение» завершилось, и ведущий предложил девице без помощи других напоминать что-либо удовлетворенное либо печальное из собственной жизни и таким макаром проехать на игрушечном автомобиле легкую трассу.

Зрители поудивлялись и запамятовали, а доктор Каплан спустя два года хотя и подтвердил огромную часть собственных начальных выводов, но все таки отметил, что достаточно высочайший процент людей не в состоянии приспособиться к управлению техническими устройствами средством конфигурации собственной ЭЭГ без помощи мышечного аппарата. И даже те, у кого это выходит, не могут длительно держать под контролем свое состояние. Разумеется, что таковой метод управления роботами навряд ли годится для управления чем-либо более четким и сложным, чем игрушечный автомобиль.

Интерфейс для мозга

Клаудиа Митчелл растеряла руку в ДТП и получила взамен «умный» протез, присоединенный к нервным окончаниям

Искусственная рука

Казалось, до решения вопроса управления эрзац-конечностями как и раньше так же далековато, как и сотку годов назад. Меж тем в Шотландии, а потом и в США издавна проводят еще более сложные исследования, позволившие сделать искусственную конечность, управляемую нервными импульсами, но здесь уже не удалось обойтись без хирургического вмешательства. Изобретатели из Эдинбургского института с приемлимо техническим юмором окрестили свое детище EMAS (Edinburgh Modular Arm System) — по имени прихрамывающей собаки 1-го из инженеров. Искусственную конечность, которая имела управляемые узлы в запястье, локте и плече, получил в 1993 году доброволец Кэмпбелл Эйрд (Campbell Aird), лишившийся руки из-за рака. К тому времени это был самый совершенный протез, его цена оценивается в 170 тыщ баксов. Он удачно прослужил 10 лет, после этого был взят разработчиками на модернизацию. Точность и качество выполнения устройств и электроники можно оценить по тому, что Эйрд опять стал заниматься спортивной стрельбой и даже управлять спортивным самолетом. К огорчению, представители института не выпустили детализированной инфы об устройстве протеза. Понятно только то, что для управления механизмами употребляются нервные импульсы в мускулах оставшейся части плеча. Может быть, потому данная разработка пока не заинтриговала ни один инженерно-медицинский концерн.

Америкосы из Института реабилитации инвалидов в Чикаго повторили разработку шотландцев, но позаботились о более ярчайшем освещении действия. Они провели подобные операции пятерым мужикам и одной даме, по имени Клаудиа Митчелл, потерявшей руку в дорожной аварии. Министерство обороны США уже заявило о планах предоставлять механизированные руки бойцам, покалеченным во время военных действий.

Потенциал деяния нейрона

Нейрон — нервная клеточка, через которую передается информация в организме. Она представляет собой морфофункциональную единицу центральной нервной системы человека и животных. Нейроны соединяются вместе средством синапсов, которые делятся на возбудительные и тормозные. Активность первых наращивает возможность разряда нейрона, активность вторых — понижает. При достижении некого порогового уровня возбуждения нейрон генерирует электронный импульс, именуемый потенциалом деяния. По образному сопоставлению, ответ нейрона на активность всех его синапсов представляет собой итог типичного «химического голосования». После импульса приблизительно на тысячную долю секунды нейрон становится недееспособным. Этот период нужен для восстановления ресурсов клеточки. Совокупа электронной активности нейронов делает вокруг мозга и нервных волокон слабенькое переменное электрическое поле, которое можно регистрировать, к примеру, с помощью электроэнцефалографа.

Ящик Харви

И все таки электроэнцефалограф и оба варианта механической руки не так впечатляют, как прямое хирургическое вмешательство в черепную коробку. Вроде бы отменно ни делать съем данных с помощью ЭЭГ, этот способ не позволяет выделять сигналы отдельных нейронов. Даже хирургическая точность при сопряжении нервных окончаний с контактами электродов механической конечности обеспечивает только довольно грубые реакции.

Сначала 1980-х годов в южноамериканском Институте Джонса Хопкинса группа под управлением Апостолоса Георгопулоса (Apostolos P. Georgopoulos) стала проводить опыты по регистрации активности одиночных нейронов. После 2-ух с излишним лет в опытах на моторной коре мозга макак было найдено, что активность неких нейронов изменяется, когда мортышка двигает рукою в определенном направлении. Каждый нейрон настроен на свое направление, вызывающее у него наивысшую активность. При отклонении от этого направления активность клеток понижается пропорционально косинусу угла. Стало ясно, что можно с большой точностью расшифровать сигналы группы нейронов, отвечающих за движение конечности.

Но более четких результатов нейрофизиологи не могли достигнуть очень длительно. Используемые в то время электроды снаружи напоминали швейные иглы. Они могли отлично работать только несколько часов, пока у их кончиков не накапливались хим составляющие клеток, из-за чего чувствительность чертовски падала. Не считая того, острие электрода с относительно огромным поперечником повреждало нейроны даже при малозначительных смещениях головы. Так как клеточки мозга не генерируют болевые импульсы, найти наличие повреждений по реакции подопытного животного фактически нереально — дискомфорта оно не ощущает.

Интерфейс для мозга

Дистанционно управляемая мышь Хилари с камерой на спине. Имплантированные в мозг электроды принуждают ее по команде поменять направление движения

Исключительно в 1990-х годах в Институте Ханеманна Мигель Николелис (Miguel A. L. Nicolelis) и Джон Чэпин (John K. Chapin) применили гибкие электроды с тефлоновым покрытием и поперечником острия около 50 микрон. Итог оказался ошеломительным: удалось снять данные сходу с 48 нейронов мозга крысы. При этом сразу записывалось как восприятие сенсорной инфы, так и ответная регуляторная активность. Через некое время инженер-электронщик Харви Уиггинс (Harvey Wiggins) сконструировал устройство, которое обеспечивало выборочный анализ, фильтрацию и усиление нейронных сигналов. Этот аппарат был окрещен южноамериканскими нейрофизиологами «ящиком Харви» по аналогии с «волшебным ящиком» иллюзиониста Гудини.

Ящик Харви показал свои способности в первом же опыте Джона Чэпина. Крысу с вживленными электродами расположили в клеточку с маленький педалью, при нажатии на которую появлялась порция воды и еды. Когда крыса научилась обеспечивать себя кормом, педаль отключили, а заместо нее к дозатору кормушки подключили ящик Харви. После некого привыкания крыса стала управлять кормушкой прямыми сигналами мозга. Потом педаль убрали совсем. Это принудило крысу значительно понервничать, но через некое время ее мозг сгенерировал метод, соответственный нажатию на педаль. Образно говоря, животное «представило» процесс нажатия. И кормушка сработала.

Из 6 подопытных крыс четыре удачно освоили новый способ кормления. Разумеется, что в применении к человеку способности таковой технологии вообщем неограниченны. Необходимо только создать методику получения алгоритмов для хоть какого деяния либо психоэмоционального состояния. Инвалид, который на уровне мыслей управляет искусственной конечностью, «продумывая» нужное действие, — и это только снежинка на верхушке айсберга.

Бразильский нейрофизиолог Мигель Николелис с сотрудниками из Гетеборгского института в Швеции продолжил исследования на мортышках. Сигналы имплантированных электродов использовались для управления искусственной рукою, которая успевала выполнить «представляемое» движение ранее, чем сама мортышка! Обыденное запаздывание меж сигналом и реакцией животного составляет приблизительно 0,3 секунды, а ящик Харви срабатывал намного резвее. Вышло, что искусственная рука может не просто поменять инвалиду потерянную, да и дать ему существенное преимущество.

Последующие исследования стали больше прогуляться на доброкачественный киберпанк. В июне 2004 года южноамериканские доктора имплантировали в двигательную область коры мозга 24-летнего стопроцентно парализованного человека микрочип BrainGate, разработанный в компании Cyberkinetics из городка Фоксборо, штат Массачусетс. Крохотный чип отдал парализованному человеку возможность управлять телеком и компом — к примеру, рассылать письма по электрической почте и даже играть в аркадные компьютерные игры. Управление может быть даже и в то время, когда парализованный занят чем-либо другим, к примеру дискутирует либо двигает головой. По словам разработчиков, это далековато не предел способностей их технологии — чипы делались только для подготовительного тестирования.

Но, разумеется, не каждый пациент согласится на пусть и неопасную, но экспериментальную операцию. На это достойный ответ есть у профессионалов Швейцарского федерального института технологий (Swiss Federal Institute of Technology). Им удалось обойтись восемью ЭЭГ-электродами, закрепленными в шапочке, — никаких имплантатов либо вживленных электродов. Естественно, «чувствительность» этого аппарата намного ниже, потому директор института Жан-Альберт Феррез (Jean-Albert Ferrez) рекомендовал данную технологию только парализованным ниже шейки, чтоб избежать общего «шума», создаваемого нервными сигналами от всего тела. Данных, снимаемых швейцарским прибором, хватает для уверенного управления инвалидной коляской. Но с 2003 года никакой инфы от института ни об успехах, ни даже о получении предстоящего финансирования нет.

Интерфейс для мозга

Механизированный инструмент NeuroMate применяется для введения электродов глубоко в кору мозга

Моральный кризис грядущего

Пока техника имплантирования чипов инвалидам развивается только в лабораторных стенках, а потому фактически не задевает публичное мировоззрение. Научные и публицистические издания популярны сначала посреди довольно образованных читателей, которые могут только приветствовать развитие способностей медицины и терпимо относятся даже к самым подозрительным разработкам двойного предназначения. Но истории с клонированием и стволовыми клеточками наглядно выявили ужас мещанина перед непривычным. Если помощь инвалиду еще может рассчитывать на бесспорное осознание, то реакция общества на имплантаты «немедицинского назначения» непредсказуема.

Сегодняшние «моралисты» с негодованием бросаются на всякую новацию, которая приводит к изменению норм поведения и обычных реакций на реальность. А именно, так поступают противники введения идентификационных микрочипов американской компании Applied Digital Solutions (ADS). Этот чип представляет собой личный номер носителя, связанный с базой данных, в какой содержится информация о человеке. Удобство таких «паспортов» подтверждено во время иракской кампании — английские спецподразделения употребляют вживленные под кожу чипы для резвого поиска «своих», когда нереально использовать обыденные методы. Общество мгновенно разделилось на два лагеря. Рационалисты апеллируют, как ни удивительно, к гуманизму. Более весомый их аргумент — возможность своевременного оказания мед либо другой помощи попавшим в неудачу людям, в особенности когда сам нездоровой не в состоянии сказать докторам сведения о для себя и собственных родственниках. Бесспорными же противниками оказались не только лишь религиозные фундаменталисты, да и группа, которая апеллирует к свободе личности в целом и считает, что такая практика может привести к глобальной слежке.

Как ни удивительно, подобные ужасы вправду рискуют дорасти до скандалов и подвигнуть правительства на запрет проведения операций даже в исследовательских целях. Еще пока никому из исследователей, владеющих информацией «из первых рук», не пришла в голову идея спрогнозировать, к чему в действительности приведет распространение чипов, расширяющих способности человека.

Фантасты нередко обращают свои взгляды в сторону киборгов и имплантатов. При всем этом непременно отрисовывают совсем ужасное будущее — всеобщий контроль, отягощения, опухоли, моральный кризис «усиленных» электроникой людей и т.д. Но те же самые страшилки тиражировались при возникновении радио, а потом телевидения. На данный момент людей стращают взломщиками и вебом. Да, хоть какое вмешательство в человеческое тело всегда будет заставлять чувство самосохранения генерировать эмоции. Но представьте для себя человека, которому вживили микрочип, передающий десяток сигналов различной бытовой технике.

Размер чипа на 5–10 тыщ транзисторов будет исчисляться квадратными миллиметрами при толщине в десятые толики мм — и это при очень грубой технологии 1980-х годов. Цена производства подобного чипа по готовой схеме на тайваньской фабрике Chianatech обойдется заказчику в пару тыщ баксов. За эти средства вы получите оттестированную партию из 1 000 микросхем и всю нужную документацию. При помещении такового чипа под черепную коробку он свободно разместится в хоть какой жидкостной полости, а при появлении заморочек (воспаление, внутричерепное давление и т. д.) рядовая поликлиника обеспечит вам оперативную трепанацию — современные районные поликлиники с своими докторами повсевременно проводят операции по удалению осколков жертвам ДТП так, что не остается даже шрамов.

Но, может быть, что даже таких операций не пригодится. В ближайшее время стали появляться отчеты об испытаниях «бесконтактных электродов», которые по принципу пеленг-локатора источают в определенном спектре частот направленный сигнал и принимают «ответ». Если через 5 лет разработка станет маленькой, то можно запамятовать и о хирургическом вмешательстве в мозг. Маленький прибор будет сам исследовать определенные участки мозга, наподобие ЭКГ. Чип перевоплотится в банальность — ведь на данный момент никого не удивишь Bluetooth-гарнитурой за ухом. Новое устройство навряд ли будет кардинально от нее отличаться.

Генри Шеппард

Другие статьи:
Интернет журнал НЛО МИР

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

*

code

Редакция рекомендует

x