Исследователи из Вашингтонского университета продемонстрировали, что когда люди используют эту технологию, называемую интерфейсом мозг-компьютер, мозг ведет себя так же, как при выполнении простых двигательных навыков, таких как удар по мячу, набор текста или размахивание рукой. Научиться управлять роботизированной рукой или протезом может стать второй натурой для парализованных людей.
«Мы видим, что практика идеально подходит для решения этих задач», — сказал Раджеш Рао, профессор компьютерных наук и инженерии Университета штата Вашингтон и старший научный сотрудник, участвовавший в исследовании. «Когнитивные ресурсы мозга задействованы в самом начале, но по мере того, как вы лучше справляетесь с задачей, эти ресурсы больше не нужны, и мозг освобождается».Рао и сотрудники UW Джеффри Оджеманн, профессор неврологической хирургии, и Джеремайя Вандер, докторант в области биоинженерии, опубликовали свои результаты в Интернете 10 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences.В этом исследовании семь человек с тяжелой эпилепсией были госпитализированы для процедуры наблюдения, которая пытается определить, где в мозгу берут начало припадки. Врачи прорезали кожу головы, просверлили череп и поместили тонкий лист электродов прямо на верхнюю часть мозга.
Пока они наблюдали за сигналами приступа, исследователи также провели это исследование.Пациентов просили перемещать курсор мыши на экране компьютера, используя только свои мысли для управления движением курсора. Электроды в их мозгу улавливали сигналы, которые заставляли курсор двигаться, отправляя их в усилитель, а затем в ноутбук для анализа. В течение 40 миллисекунд компьютер рассчитал намерения, передаваемые через сигнал, и обновил движение курсора на экране.
Исследователи обнаружили, что, когда пациенты приступили к выполнению задания, большая часть мозговой активности была сосредоточена в префронтальной коре, области, связанной с изучением нового навыка. Но зачастую всего через 10 минут лобная мозговая активность снижалась, и мозговые сигналы переходили в паттерны, аналогичные тем, которые наблюдаются при более автоматических действиях.
«Теперь у нас есть маркер мозга, который показывает, что пациент действительно усвоил задачу», — сказал Оджеманн. «Как только сигнал отключился, можно предположить, что человек его усвоил».Хотя исследователи продемонстрировали успех в использовании интерфейсов мозг-компьютер у обезьян и людей, это первое исследование, которое четко отображает неврологические сигналы по всему мозгу. Исследователи были удивлены тем, сколько частей мозга было задействовано.«Теперь у нас есть более крупномасштабное представление о том, что происходит в мозгу испытуемого, когда он или она изучает задачу», — сказал Рао. «Удивительный результат состоит в том, что, несмотря на то, что в интерфейсе мозг-компьютер используется только очень локализованная популяция клеток, мозг задействует многие другие области, которые напрямую не задействованы для выполнения работы».
Разрабатываются и тестируются несколько типов интерфейсов мозг-компьютер. Наименее инвазивным является устройство, помещаемое на голову человека, которое может обнаруживать слабые электрические признаки активности мозга.
На рынке представлены основные коммерческие игровые продукты, но эта технология еще не очень надежна, потому что сигналы от моргания глаз и других движений мышц слишком сильно мешают.Более инвазивной альтернативой является хирургическое размещение электродов внутри самой ткани мозга для записи активности отдельных нейронов.
Исследователи из Университета Брауна и Университета Питтсбурга продемонстрировали это на людях, поскольку пациенты, неспособные двигать руками или ногами, научились управлять роботизированными руками, используя сигнал непосредственно из своего мозга.Команда UW проверила электроды на поверхности мозга под черепом.
Это позволяет исследователям записывать сигналы мозга на более высоких частотах и с меньшими помехами, чем при измерениях на коже черепа. Будущее беспроводное устройство может быть построено так, чтобы оставаться в голове человека в течение более длительного времени, чтобы иметь возможность управлять компьютерными курсорами или роботизированными конечностями дома.
«Это один из способов улучшить устройства и сделать их более полезными для людей», — сказал Вандер. «Если у нас есть понимание того, как кто-то учится использовать эти устройства, мы можем создать их, чтобы они реагировали соответствующим образом».Исследовательская группа вместе с Центром инженерных исследований сенсомоторной нейронной инженерии Национального научного фонда со штаб-квартирой в UW продолжит разработку этих технологий.
Это исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом, Управлением армейских исследований и Фондом Кека.