Все частіше в новинах можна побачити, що вчені розробили прилад, який зможе читати людські думки. Інколи він навіть дозволяє паралізованим людям повноцінно керувати компʼютером та штучними кінцівками. Такими темпами скоро кожен з нас матиме залізні органи та керуватиме чайником тільки за допомогою думки.
Отже, чи справді ці нейротехнології вже записують кожну нашу думку? Чи зробить імплантація чіпа нас людьми з майбутнього? І що врешті-решт таке нейротехнології — це ми дізнаємося зараз.
Нейротехнології — це…
Якщо дуже просто, то нейротехнології прагнуть повʼязати нервову систему із цифровими засобами. Їх можна розрізняти за різними критеріями, про які ми сьогодні поговоримо.
Нейротехнології мають такі основні підвиди:
Нейромодуляційні технології. Ці технології використовують нейронні інтерфейси для стимуляції структур нервової системи. Наприклад, технології нейромодуляції використовуються для глибокої стимуляції мозку (deep brain stimulation) з метою зменшення тремору при хворобі Паркінсона, для стимуляції спинного мозку з метою лікування хронічного болю, а останнім часом їх застосовують для лікування жертв інсульту.
Нейропротези. Нейропротези діють як "протези" функцій мозку, тобто замінюють або відновлюють сенсорні, моторні або когнітивні функції, втрачені суб'єктом. Кохлеарні імплантати, які відновлюють слух у людей з глибокою втратою слуху, є, мабуть, найяскравішим прикладом нейропротезів у повсякденному житті.
Нейрокомпʼютерні інтерфейси (НКІ). Ці технології зчитують та/або записують інформацію в мозок (тобто одно- та двонаправлені, про що ми поговоримо згодом). У результаті цього суб'єкт може керувати зовнішнім програмним забезпеченням або роботизованим пристроєм. Ці технології ще масово не розповсюдились, але мають потенціал для людей з моторними порушеннями, які можуть керувати пристроями за допомогою власної нейронної активності [1].
Пасивні та активні НКІ
Ми можемо поділити нейрокомпʼютерні інтерфейси на групи за тим, як вони використовують мозок. Так, пасивні тільки розшифровують стани мозку. Це скоріше моніторинг, де не залучаються ніякі дії користувача. Так, наприклад, нейрокомпʼютерний інтерфейс може записувати якість вашого сну, а на ранок видати результат. З іншого боку, активні безпосередньо залучають добровільну мозкову активність користувача, викликану його намірами. Тобто те, як думає користувач, безпосередньо впливає на роботу інтерфейсу [2].
Одно- та двонаправлені НКІ, їх складові
У недалекому майбутньому ми зможемо керувати тілом у віртуальній реальності лише за допомогою активності мозку. Або ми зможемо відчувати елементи з іншої реальності на дотик як живі. Це стає реальним за допомогою нейрокомпʼютерним інтерфейсам для однонаправленої комунікації (або рухати або відчувати). Очевидно, що нам цього не достатньо. Набагато краще рухати обʼєктами й одразу сприймати їх на дотик, що дає нам двонаправлена комунікація (рух + сенсорні відчуття).
Не варто лякайтись цієї схеми, насправді все достатньо просто, якщо розібратись.
Ми отримуємо сигнали з мозку різними способами нейровізуалізації.
Далі обираємо тільки змістовні дані. Це важливо не тільки для того, щоб прибрати зайвий шум, а й зменшити кількість даних, щоб полегшити обчислення.
За допомогою технологій машинного навчання компʼютер здатен віднайти в даних мозку потрібні нам паттерни. Наприклад, спочатку людина стискає та розтискає руку за нашою командою, і ми повʼязуємо її реальні дії із сигналом. Таким чином компʼютер навчається і потім самостійно розрізнятиме дії людини.
Після класифікації відповідний сигнал надійде протезу, який зможе стискати або розтискати штучну кінцівку в залежності від бажання людини [3].
З іншого боку, ми можемо стимулювати мозок, коли нам це потрібно і в місцях, де нам потрібно. Однією з трудностей користування протезами є відсутність фідбеку або сенсорних відчуттів. Якби ми могли відчувати штучну кінцівку, як свою, то набагато швидше навчилися нею керувати.
Ми можемо повʼязати ці два підходи та утворити замкнене коло. Насправді це вже є в нашій природі: коли ми хочемо дізнатись, чи досі гаряча чашка чаю, ми доторкаємося рукою до неї та усвідомлюємо температуру, із чого робимо висновки. Для двонаправлених нейрокомпʼютерних інтерфейсів усе так само. Ми зчитуємо бажання посунути руку з моторної кори, після чого посуваємо протез та отримуємо інформацію. Далі, ми стимулюємо ділянки мозку, що відповідають за сенсорне сприйняття та температуру.
Для чого нам нейротехнології?
Першочеговою причиною створення нейротехнологій була допомога людям з обмеженням та повернення їх до здорового життя. Проте, люди давно мріють про контроль за допомогою сили думки. Наразі обидва напрямки інтенсивно розвиваються, і можна виділити 6 основних призначень:
відновлення (дати голос із синдромом замкненої людини);
заміна (кінцівки на нейропротез);
посилення (досвіду гравця в компʼютерних іграх);
доповнення (окуляри з доповненою реальністю);
покращення (реабілітації кінцівки після інсульту);
дослідження (розшифрування мозкової активності зі зворотним зв'язком) [2].
Розташування
За способом отримання сигналу системи поділяють на:
Неінвазивні, які не вимагають ніякого хірургічного втручання та розташовуються на поверхні тіла;
Напів інвазивні, які знаходяться вже за черепом, але не проникають у мозок;
Інвазивні, які проникають уже безпосередньо в кору мозку;
Васкулярні – це відносно унікальний тип, бо для реєстрації активності нейронів він розміщується у судині поряд з корою мозку.
Неінвазивні технологі, що використовують EEG, є найбільш поширеними. На противагу цьому, менш поширеними є інвазивні інтракортикальні електроди та напів інвазивні електрокортикографія (ECoG), які забезпечують краще співвідношення сигнал-шум до шуму та кращу локалізацію мозкової активності [2].
Приклади нейротехнологій
Для реалізації цих шести призначень придумали різноманітну кількість технологій, найцікавіші з яких ми зараз і розглянемо.
Кохлеарні імпланти
Їх здебільшого імплантують дітям, які народилися з нефункціонуючою провідністю звукових хвиль від барабанної перетинки до завитки. Хоча також використовуються для лікування важкої глухоти у дорослих і людей похилого віку. Це були перші неврологічні активні імплантовані пристрої, які охопили велику кількість населення [4].
Стимуляція блукаючого нерва
Стимуляція блукаючого нерва дозволяє певним чином контролювати епілепсію, резистентні до лікування великі депресивні розлади та інші розлади, пов'язані з роботою органів [4].
Нейростимулятори спинного мозку для покращення моторики
Переможці конкурсу “Brain-Computer Interface Award 2022” представили інтерфейс, який стимулював поперековий відділ спинного мозку для активації рухової активності, що дозволило учаснику, який був паралізований протягом багатьох років, знову ходити. Для стимуляції 16-електродний масив був хірургічним шляхом поміщений у спинний корінець спинного мозку. Щоб допомогти людині ходити, послідовність активацій передавалася на масив, який, у свою чергу, генерував різні моторні виходи [5].
Нейрокомпʼютерні інтерфейси для керування компʼютером
Подивимося на розробку достатньо відомої компанії Neuralink. Першочерговою ідеєю їх було створення імпланту для відновлення моторних навичок, щоб люди змогли користуватися компʼютерами. Вони вставляють електроди в ділянку кори, яка відповідає за рух рух у різних напрямках. Цей інтерфейс може розпізнати бажання рухати рукою в потрібному напрямку та передати його до компʼютера. Так, мавпа може керувати траекторією руху плит у грі тільки за допомогою активності мозку.
Технології, що покращують медитацію, фокус та сон
Тепер перейдімо до технологій, що розраховані на здорових людей та покращення якості їх життя. Такі компанії, як Muse, Neurosity, Neurable та інші, розробляють мобільні нейрокомпʼютерні інтерфейси, які не лише виглядають стильно, а й через реєстрацію активності кори можуть давати поради з медитації, сну та допомагати сфокусуватися. Більшість з них також мають розробницькі інтерфейси, тому ентузіасти можуть на їх основі створювати власні проекти.
Майбутнє нейротехнологій та кіборги
Усе більше та більше компанії доєднуються до маркету з крутими ідеями. Вже у 2032 році ринок нейротехнологій сягне 38 мільярдів доларів [6]. Багато відомих компанії, як Apple, додаватимуть до своїх технології засоби нейровізуалізації та здебільшого матимуть спортивне/робоче обладнання, що дозволятиме за потреби реєструвати дані мозку. Люди з обмеженнями отримуватимуть розумніші протези та значно покращать своє життя. Тому слідкуйте за новинами та моїми довгочитами!
P. S.
Вітаю, мене звати Софія! Я студентка Могилянки та дослідниця в галузі нейротехнологій. Ці довгочити – це українська версія мого Youtube каналу, покликання на який ви зможете знайти в описі профілю. Слідкуйте за мною, щоб дізнатись більше про цю амбітну галузь та не забувайте донатити на всі потреби ЗСУ. Буду вдячна, якщо зможете підтримати мою працю донатом на Buy me a coffee теж за посиланням в описі. Слава Україні!
Джерела (які додатково раджу проглянути):
https://brain.ieee.org/topics/neurotechnologies-the-next-technology-frontier/
Saha S, et al. (2021) Progress in Brain Computer Interface: Challenges and Opportunities. Front. Syst. Neurosci. 15:578875. doi: 10.3389/fnsys.2021.578875
Rajesh P.N. Rao. 2013. Brain-Computer Interfacing: An Introduction. Cambridge University Press, USA.
Clement, Claude. (2019). Brain-Computer Interface Technologies, Accelerating Neuro-Technology for Human Benefit. 10.1007/978-3-030-27852-6.
Rowald, A., Komi, S., Demesmaeker, R. et al. Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis. Nat Med 28, 260–271 (2022). https://doi.org/10.1038/s41591-021-01663-5
https://datarootlabs.com/blog/the-state-of-neurotech-unlocking-minds-and-new-markets
