У парализованных людей появилась надежда: животных обучили мысленно управлять искусственной рукой-роботом

Как объявили ученые, двух обезьян выдрессировали засовывать еду в рот при помощи роботизированного протеза руки, управляемого мысленными командами, которые передаются по электродам с мозга животного на компьютер.

Это достижение было воспринято как крупный прорыв в разработках "умных" протезов конечностей и других автоматических устройств, которыми паралитики могли бы управлять исключительно за счет мысленных импульсов.

В конечном итоге ученые планируют применить эту технологию для разработки протезов для людей с травмами позвоночника или заболеваниями двигательных нейронов, которые ввиду полного паралича почти не могут пользоваться инвалидными колясками или протезами иного типа. Со временем исследователи надеются создать роботов, которые будут казаться естественным продолжением тела человека и позволят приспособить технику для широкого спектра задач, от вождения автомобиля до управления автопогрузчиком.

Эндрю Шварц, профессор нейробиологии из Питсбургского университета, сказал, что обезьянам удавалось подносить автоматической рукой ко рту кусочки зефира или фруктов, двигая ее "плавно и ловко".

"Теперь благодаря использованию "интерфейса мозг-машина" мы начинаем понимать, как работает мозг", - отметил доктор Шварц, результаты исследования которого опубликованы в интернете на сайте журнала Nature.

"Чем больше мы постигаем мозг, тем легче нам будет лечить широкий спектр нарушений деятельности головного мозга - от болезни Паркинсона и паралича до болезни Альцгеймера, в конечном итоге даже, возможно, психические заболевания", - сказал он.

Эксперименты проводятся в рамках более широких исследований, направленных на то, чтобы подключиться к сложной системе электрических сигналов, используемых мозгом для управления мышцами. В итоге ученые надеются разработать способ выявления закономерностей в деятельности мозга, которые обозначают намерения человека в отношении движения конечности.

Существует надежда, что технология, известная под названием "интерфейс мозг-машина", сможет связать кремниевое "железо" микропроцессора с "программным обеспечением" нервной системы человека, основанной на углероде для того, чтобы механизмами можно было управлять мысленно.

"Наша ближайшая задача - создать устройство-протез для полностью парализованных людей. В конечном итоге наша цель - лучше разобраться в запутанном устройстве мозга", - отметил доктор Шварц.

Вначале экспериментаторы научили обезьян управлять рукой-роботом при помощи джойстика, на который животные нажимали собственными лапами. Позднее обезьянам связали лапы, стараясь не причинять им боли, и научили их отдавать команды руке-роботу, используя электрические импульсы моторной области коры головного мозга - отдела, который контролирует сокращение и расслабление мышц.

Ученые говорят, что поразились, как легко оказалось научить обезьян шевелить рукой-роботом: по-видимому, животные благожелательно восприняли это устройство как полезный "столовый прибор".

С помощью электродов ученые отслеживали деятельность образцовой выборки - примерно 100 из многих миллионов мозговых клеток, которые задействуются, когда моторные области коры направляют движения мышц. Последовательность электрических импульсов передавалась на компьютер, где специальная программа анализировала эти сигналы и превращала их в команды для руки-робота, которая состояла из предплечья, локтевого сустава и кисти руки с хватательным устройством наподобие клешни.

"Обезьяна обучается, вначале наблюдая за движением - при этом клетки мозга задействуются совершенно таким же образом, как если бы обезьяна двигалась сама. Тут много общего с тренировками в спорте, когда тренер вначале заставляет спортсмена вообразить, что тот совершает желательные движения", - пояснил Шварц.

Рука-робот, используемая в эксперименте, имела, как это называется в механике, пять степеней свободы: существовали три варианта ориентации плечевого сустава, один вариант ориентации локтевого и один - движения кисти руки, дабы манипулятор имитировал движения руки человека. На обучение обезьян потребовалось несколько дней. За успехи их вознаграждали кормом.

Ранее эта же группа ученых учила обезьян управлять курсором на экране компьютерного монитора, но, по словам исследователей, последний эксперимент с рукой-роботом предполагал более сложную последовательность движений.

Джон Каласка из Монреальского университета сказал, что этот эксперимент - первая практическая демонстрация технологии "интерфейс мозг-машина" для выполнения такого практического поведенческого акта, как прием пищи. "Он являет собой величайшее на данный момент достижение прогресса в разработке устройств для нейроуправления сложными роботами - искусственными руками, которые однажды, по идее, помогут больным выполнять различные действия в быту - например, есть, пить из стакана или пользоваться орудиями труда", - отметил доктор Каласка.

"Нас весьма воодушевил тот факт, что обезьяны охотно учились управлять роботом. Столь же отрадно было видеть, что обезьяны совершенно естественно управляют роботом и взаимодействуют с ним", - сказал он.

"Они двигали клешней по искривленной траектории, чтобы обогнуть препятствия, спешно корректировали траекторию, когда экспериментатор неожиданно перемещал корм, и даже проталкивали клешней еду, зажатую между губами, себе в рот", - поведал доктор Каласка.

В 2000 году ученые из Массачусетского технологического института первыми продемонстрировали возможность зафиксировать деятельность нейронов в мозгу обезьяны и передать эти сигналы по интернету за 600 миль для управления рукой-роботом в другой лаборатории. Эти ученые также пользовались микроэлектродами, имплантированными в мозг обезьяны, но их эксперимент не предполагал использования искусственной руки для таких практических дел, как прием пищи.

По словам доктора Каласки, следующий пункт программы - научиться передавать информацию с руки-робота на органы чувств обезьяны, чтобы животное знало, насколько крепко следует стискивать предмет. Это очень важно для взаимодействия человека с окружающим миром.

"Для физического взаимодействия с миром субъект также должен чувствовать и контролировать усилия, предпринимаемые роботом в отношении любого предмета или поверхности. Например, поднять искусственной рукой предмет с земли, ухватив его достаточно крепко, чтобы не выронить, но не так сильно, чтобы раздавить, - сказал он. - Эти и другие технические проблемы сложны, но вовсе не непреодолимы".

Также по теме:

Чип читает мысли парализованных (The Guardian)