Ученые лезут в мозг

Ученые Медицинского факультета американского Питтсбурского университета (University of Pittsburgh School of Medicine, штат Пенсильвания) обучили обезьяну управлять механической рукой, используя лишь сигналы от ее собственного мозга. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Nature. В ходе эксперимента обезьяна сумела накормить себя пищей, мысленно управляя манипулятором, передает РИА "Новости".

"Наша непосредственная задача состояла в том, чтобы создать протез для полностью парализованных людей. А в конечном счете мы стремимся лучше понять устройство мозга", - говорит один из авторов статьи профессор Эндрю Шварц (Andrew Schwartz).

Прежние исследования в этой сфере были сосредоточены на создании устройств, позволяющих мысленно управлять курсором на экране компьютера. В лаборатории профессора Шварца обезьян также научили этому. "Благодаря данной технологии мы начинаем понимать, как работает мозг. Чем лучше мы это понимаем, тем успешнее сможем лечить различные заболевания, от болезни Паркинсона и параличей до болезни Альцгеймера и других душевных недугов", - говорит Шварц. В новом эксперименте обезьяны, мысленно управляя механической рукой, могли кормить себя лакомством и кусками фруктов в то время, когда их собственные руки были связаны.

Компьютерная программа интерпретировала сигналы, полученные от сотни тончайших электродов, внедренных в кору головного мозга животных. При этом активность нейронов оценивалась с помощью специального алгоритма, а затем команда передавалась на манипулятор, который служил обезьянам как их собственные конечности. После того, как обезьяны научились управлять механической рукой, какое-то время наблюдая за ее реакциями, движения манипулятора становились плавными и естественными - животные воспринимали это устройство как часть собственного тела, они могли не только брать пищу, доносить ее до рта и отпускать, научились даже очищать "пальцы" манипулятора от прилипшей пастилы и отщипывать от предлагаемых лакомств небольшие кусочки.

Джон Каласка из Монреальского университета уверен в том, что этот эксперимент можно считать первой практической демонстрацией реальности интерфейса "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... Они перемещали клешню по искривленной траектории, чтобы обогнуть препятствие, спешно корректировали траекторию, когда экспериментатор неожиданно перемещал корм, и даже проталкивали клешней еду, зажатую между губами, себе в рот". По словам доктора Каласки, теперь требуется еще научиться передавать информацию с манипулятора на органы чувств обезьяны, чтобы животное знало, насколько крепко следует стискивать предмет. Это очень важно для взаимодействия парализованногго человека с окружающим миром.

Похожие эксперименты проводили специалисты из японского Управления по науке и технике и американского Дьюкского университета (Duke University). Тогда ученые снимали данные о работе мозга бегущих по беговой дорожке макак и заставляли робота воспроизводить их движения. Были и другие эксперименты по "сращению" мозга обезьян с манипуляторами.

Тем временем исследователям из американского Университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University - CMU) в Питтсбурге впервые удалось создать компьютерную программу, способную предсказывать реакцию человеческого мозга на определенные слова и понятия, тем самым сделав очередной шаг на пути к созданию технологии чтения мыслей. Статья, где приводятся результаты их работы, публикуется в текущем выпуске журнала Science.

Группа ученых, которую возглавляли специалист в сфере информационных технологий Том Митчелл (Tom Mitchell) и нейропсихолог Марсель Джаст (Marcel Just), создали компьютерную модель, используя полученные с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии реакции на 60 существительных, а также статистический анализ текстового корпуса, включавшего практически все употребимые слова. Ранее исследователи уже использовали компьютерную томографию для того, чтобы определить, какие области мозга активизируются в те моменты, когда человек думает об определенных словах. Однако специалисты из Карнеги-Меллона пошли дальше, научившись делать предсказания по активизации определенных областей мозга, тех, что реагируют на существительные, описывающие повседневные предметы.

Для создания компьютерной модели был проведен ряд экспериментов, в ходе которых девяти добровольцам предлагали мысленно концентрироваться на 60 словах-стимулах. При этом на каждую из 12 семантических категорий, например, "животные", "части тела", "здания", "одежда", "насекомые", "машины" и "растения", приходилось по пять слов. Томограф помогал разобраться, каким образом и какие области мозга реагируют на каждый из стимулов. Затем исследователи проанализировали типичный словарь англоговорящего человека. Для каждого так называемого конкретного существительного из всего корпуса текстов (конкретные имена существительные называют предметы и явления действительности) они подсчитали, как часто оно соседствует в текстах с каждым из 25 глаголов, связанных с сенсорно-моторными функциями, в частности, зрением, слухом, вкусом, запахом, едой, движением. Проанализировав таким же способом 60 слов-стимулов, они определили, как их связи с одним из 25 глаголов влияют на каждый элемент трехмерной карты мозга. Затем, чтобы предсказать реакцию мозга на любое такое существительное, модель определяла, как оно соотносится с одним из 25 глаголов, при этом выстраивалась карта активности, основанная на данных о влиянии того или иного сочетания на мозг.

"Мы считаем, что нам удалось обнаружить некоторые из основных конструктивных блоков, которые использует мозг при представлении определенных значений", - заявляет Митчелл.

Профессор психологии Джаст считает, что эта модель даст возможность постичь скрытую доселе природу человеческого мышления. "Значения вещественных и конкретных существительных вызывают реакции в тех областях мозга, которые связаны с ощущениями, которые люди испытывают, исследуя их или манипулируя ими. Значение слова "яблоко", например, вызывает реакции в областях, ответственных за ощущения вкуса, запаха, за жевание, - поясняет он. - Яблоко - это то, что вы можете с ним сделать. Наша работа - маленький, но важный шаг к тому, чтобы взломать "код мозга". Кроме активизации областей мозга, ответственных за сенсорно-моторные реакции, исследователи обнаружили значимую реакцию в областях, связанных с планированием и долговременной памятью. Например, когда некто думает о яблоке, это может вызывать его личные воспоминания о каком-то случае поедания яблока или же мысль о том, как можно это яблоко достать.

В будущем ученые намерены изучить, как мозг реагирует на комбинации существительных и прилагательных, фразы и простые предложения, а также на абстрактные существительные и понятия. По мнению ученых, эта работа может привести к использованию сканирования мозга для чтения мыслей и, в частности, послужить основой для изучения аутизма и разного рода психических расстройств, таких, например, как шизофрения.

Нужно отметить, что в России также есть группы ученых, активно и вполне успешно занимающихся построением компьютерных интерфейсов, способных "улавливать человеческие мысли", т.е. реагировать на изменение состояния человеческого мозга. Речь, например, идет о группе профессора Биологического факультета МГУ доктора биологических наук Александра Каплана. Российским нейрофизиологам из этой группы впервые в мире удалось научить мозг человека напрямую управлять объектом, перемещающимся в трех измерениях. И к тому же при помощи их системы испытуемые могли исключительно за счет изменения электрической активности мозга (которая отражается на электроэнцефалограмме (ЭЭГ)) менять цвет экрана на желаемый.