homuncul

Ощупывать мозгом

Исключительно важная работа по трансляции тактильных ощущений опубликована на днях в Nature.

Мигель Николелис (Miguel Nicolelis), нейрофизиолог, возглавляющий Center for Neuroengineering, не перестает удивлять очередными достижениями. Лаборатория Николелиса специализируется на интерфейсах мозг-компьютер (ИМК). В начале 2000-х они наделали шуму, когда имплантировали электроды в моторную кору макаки и научили ее управлять объектом на экране с помощью джойстика. Аврора (так звали обезьяну) левой рукой двигала джойстик, а соответствующие сигналы от ее мозга шли на процессор, преобразующий эти сигналы в движения манипулятора, находившегося в другом месте. Манипулятор точно воспроизводил движения руки макаки. Тем самым проверялась работа ИМК.

Однажды экспериментаторы решили отключить джойстик, чтобы виртуальный объект на экране управлялся непосредственно сигналами от мозга Авроры (о чем она, само собой, не подозревала). Однако затем произошло то, что заставило всех присутствующих застыть на месте. В какой-то момент Аврора поняла, что двигать джойстик нет необходимости: она убрала с него руку и продолжала перемещать курсор на экране исключительно силой мысли. Можете посмотреть, как это было: видео. По признаниям ученых, в тот момент они ощутили, что присутствуют при рождении новой эры в развитии нейро-машинных технологий.

Позднее, в 2008 г., группа Николелиса провела успешный эксперимент, в котором другая обезьяна (кстати, двоюродная сестра Авроры) посредством активности мозга в течение трех минут контролировала движения шагающего робота, находившегося за тысячи километров от нее (в Японии): видео.

В том же году в Университете Питтсбурга макака научилась управлять механическим манипулятором с несколькими степенями свободы, который реагировал на команды, посылаемые мозгом. Эти кадры обошли весь мир: видео.

И вот началось новое десятилетие, и Николелис сделал следующий шаг вперед. Он добился того, чтобы сигналы шли не только от мозга в компьютер (на «выход»), но и в обратном направлении (на «вход»). Обезьяна теперь не просто управляет движением виртуальной руки, но и получает от нее обратную связь. В частности, таким способом мозг животного смог различать «текстуры» визуально неотличимых объектов. Что фактически равносильно осязанию. Без участия тела. И снова лучше один раз увидеть: видео.

Соответственно, теперь это следует называть «интерфейс мозг-машина-мозг». И что характерно, прогресс в этом направлении ускоряется. Реальные аватары уже показались на горизонте. Николелис написал небольшую заметку в Scientific American, где описывает далекие перспективы таких технологий (Mind Out of Body). Для более вдумчивого чтения у него в этом году вышла книга Beyond Boundaries, где вопрос раскрыт во всей полноте. С фрагментами можно ознакомиться здесь.


O’Doherty, J. E. et al. (2011) Active tactile exploration using a brain–machine–brain interface.Nature [Abstract]

Свежий номер журнала Progress in Brain Research целиком посвящен технологиям ИМК и возможным социальным последствиям: ссылка. Там, к слову, есть и статья Николелиса.

Фантастика, Это значит, что человек потенциально может добавить себе новые органы чувств как расширенный диапазон зрения, эхолокация... Киборгизация не за горами.
Именно так. Кроме того, парализованные люди смогут [почти] полноценно двигаться.
Большое спасибо! Очень интересно было обо всем этом узнать. Подборка видео просто замечательная.
мозг-моз - это тоже не фантастика, читайте Иоахима Бауэра "Почему я чувствую, что чувствуешь ты. Интуитивная коммуникация и секрет зеркальных нейронов".
Конспект книжки тут: http://feldenkrais.ucoz.ru/forum/3-56-1
Большое спасибо за очень интересные свежие ссылки. Должен признаться, что на бОльшую часть из свежего я еще не натыкался.

Но должен сказать, что в работах Николелиса, при всей эффектности и в целом правильном, вероятно, направлении движения, не хватает принципиально нового. И это очень контрастирует и с пиаром, и с размерами его грантов :) Обычно он основывается на хорошо известных в физиологии феноменах. Это вполне правильно, но у многих возникает впечатление, что делаются фантастические открытия, тогда как идет просто постепенное технологическое движение на основе уже известного науке: полезное движение, но без инсайтов.

Конкретно сейчас он использовал давно известную возможность вызывать ощущения прямой электростимуляцией. Безусловно, тактильная обратная связь в ИМК может быть очень полезной, но я не могу врубиться, почему ее надо подавать прямо в мозг, если можно стимулировать кожу или периферические нервы. В каких-то частных исследовательских приложениях и при определенных типах инвалидности стимулировать мозг напрямую будет очень уместно, но в подавляющем большинстве задач - нет. Или когда-нибудь в очень далеком будущем, когда вживление электродов в мозг станет совсем безопасным делом, в таком подключении будет смысл, но сейчас смысла в нем, имхо, очень мало.

Мне еще надо будет почитать и новые тексты Николелиса, и статьи в Progress in Brain Research, но у меня есть подозрение, что наука и технологии пока что не вышли за рамки, которые были видны уже вот в этих двух довольно уже старых статьях:

http://jp.physoc.org/content/579/3/613.full
Jonathan R. Wolpaw
Brain–computer interfaces as new brain output pathways
J Physiol 2007 579 (3) 613-619

http://jp.physoc.org/content/579/3/581.full
Andrew B. Schwartz
Useful signals from motor cortex
J Physiol 2007 579 (3) 581-601

Этой осенью в пленарной лекции на закрытии конференции по ИМК в Граце Вольпоу использовал основные положения той своей статьи практически без изменений и даже усилил их. На одном из его слайдов было написано: "Right now, Sept. 24, 2011, there is no evidence that implanted BCIs are substantially more capable than non-invasive BCIs". Он это прочитал очень внятно, затем в нижней половине слайда появились те же слова, только курсором, и он еще раз их прочитал :)

Что касается статьи Шварца, то Ваша ссылка на видео про работу его группы имеет к этой статье прямое отношение. То, что там делает обезьяна, конечно же, весьма любопытно. Но при этом используется довольно редкая возможность организовать аккуратно работающий "новый выход мозга". Эта возможность основана на настроенности нейронов моторной коры на узкие диапазоны направления движения к цели при reaching движениях при поддержке зрения. Усредненные сигналы от многих нейронов при таких движениях - как раз и есть useful signals from motor cortex. Я не во все исследования вникал достаточно детально, но вроде бы других удобных сигналов еще не нашли. Отсюда - очень узкий круг задач, которые пока удается решать. И, возможно, их удастся решать и на основе ЭЭГ:

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=brain-controlled-movement
No Implants Needed: Movement-Generating Brain Waves Detected and Decoded Outside the Head

(мне не нравятся пиарное словечко "decoded" - оно и в оригинальной статье в изобилии присутствует - но в остальном вполне вдохновляет)

Из всего этого не следует, что вживленные электроды не дают более богатой информации, чем ЭЭГ. Но substantially more capable основанные на них ИМК действительно (пока что?) не являются. Зато практическое значение у неинвазивных ИМК есть уже сейчас, и скоро они могут стать вполне обычной технологией.

Сейчас именно неинвазивный ИМК Уодсвортского центра (т.е. группы Вольпоу) проходит длительную обкатку на базе пяти клиниках американского Управления по делам ветеранов. Каждая из них ведет по 5-6 тяжелых пациентов с диагнозом боковой амиотрофический склероз (ALS), которые получили возможность постоянно использовать ИМК "на волне P300" (P300 BCI). Если этот проект покажет, что ИМК может использоваться в обычных условиях, без постоянного участия ученых, он вскоре может войти в стандартную клиническую практику.
Спасибо за комментарий, я даже хотел вам написать по этому поводу, поскольку в ходе обсуждения возникли вопросы. Я не вижу в экспериментах Николелиса научной новизны и не думаю, что он на нее претендует. Я воспринимаю их как технологическое продвижение, как переход от слов и теорий к делу. Я бы с большим интересом и с большим восхищением отнесся к эксперименту, в котором обезьяна/человек так же легко управляет манипулятором при помощи неинвазивного ИМК, но я о таких экспериментах, к сожалению, не знаю.

И в связи с этим возникает вопрос - что сейчас служит главным препятствием для развития технологии интерфейсов (инвазивных и неинвазивных). Почему до сих пор нет серийных экзоскелетов на ИМК?

Кстати, удивительно, что работы 2007 года вы называете старыми. :) Тогда статья Николелиса про эксперимент с Авророй вообще древний. Хотя все так недавно было.. Надо понимать, такая временная шкала в этой области. Значит, к концу нынешнего десятилетия мы увидим качественные прорывы? На что можно рассчитывать?
Re: Ощупывать мозгом
(Anonymous)
Ничего нового в этом нет,посмотрите книгу Ричарда Гордона КВАНТОВОЕ ПРИКОСРОВЕНИЕ,техники отработаны все зависит от мастерства оператора
Казалось бы, ну что ещё нужно чтобы сделать киберлимбу? Продвинутые механические протезы есть, средства доставки сигналов с рецепторов в мозг тоже, нейрохирурги смогли пришить человеку обратно кисть руки, которую он отфигачил циркулярной пилой, а протезы до сих пор управляются в стиле "детектор на каких-нибудь оставшихся мышцах руки или груди".