Нейроинтерфейсы и протезирование

Введение

Инновации и прогрессивные технологии способны значительно улучшить нашу жизнь, сделать ее более удобной и комфортной. Иногда, они необходимы нам для поддержания физической формы и здоровья. В такие моменты человек особенно заинтересован в последних достижениях науки и техники.
В данном реферате будет рассмотрена актуальная тема, которая активно разрабатывается как российскими, так и зарубежными учеными, посвещенная нейроинтерфейсам и возможностям протезирования на их основе.
Ученые продвинулись далеко вперед в создании устройств, управляемых мозгом или «силой мысли». В основу таких устройств положена возможность распознавания команд мозга, отвечающих за моторику, при фиксации активных зон сотен нейронов, малой части миллионов нервных клеток, которые задействованы в процессе управления движениями.
Однако, точность и скорость работы нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ) снижают ошибки интерпретации или считывания сигналов мозга. и для решения этой задачи важно создать совершенный метод анализа и обработки данных, позволяющий значительно сократить эти ошибки.
В данном реферате будут рассмотрены последние открытии и новейшие изобретения, сделанные международным коллективом ученых в области нейроинтерфейсов и протезирования.


Обзор научно-популярной литературы

Впервые объединённая приборостроительная корпорация (ОПК) представила свою новейшую разработку - прототип нейроинтерфейса типа «мозг-компьютер» на международной выставке «Иннопром-2015». Посредством анализа, фиксации и интерпретации мозговых сигналов аппарат управляет  мехатронными и электронными средствами в прямом смысле «силой мысли». Институт электронных управляющих машин  им. И. С. Брука (ОАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») создал сухие электроды, позволяющие регистрировать электрическую активность мозга с большой точностью без непосредственного контакта с ним.
Нейроинтерфейс «мозг - компьютер»  сейчас активно испытывается. Компания объявила, что также проводит испытания нейромышечного интерфейса, действие которого основано на регистрации электрических сигналов, поступающих  от мышечных волокон. В 2016 году ИНЭУМ планирует начать серийное производство бионических роботизированных  экзопротезов, управляемых данными интерфейсами, которые в настоящий момент уже  созданы и проходят испытания.
Практическая  значимость представленного аппарата имеет огромное значение в сфере развития перспективных биомедицинских технологий, занимающейся созданием искусственных конечностей и органов. Компании, которые занимаются созданием роботизированных протезов, демонстрируют свои инновационные решения на специализированной выставке - соревновании — Кибатлоне.
Биомедицинские технологии в течение последних 15 лет достигли серьезных результатов: обезьяны с использованием мозговых интерфейсов играли в видеоигры; крыса, оборудованная приспособлением с нейроинтерфейсом, роботизированной рукой давила на выключатель. В результате проведения серии опытов парализованный человек получил возможность управлять нейропротезом, только подумав о своих движениях. Это значительное достижение для сферы науки, которая на наших глазах управляла перемещениями таракана с использованием внешнего чипа.
Но в применении этой инновационной технологии на практике есть значительное затруднение - испытателю нужно сосредоточить свое внимание полностью на совершаемых действиях. Поскольку движение протеза происходит только в том случае, если на него смотрят. Затруднение составляет не способность парализованного человека ощутить движение протеза, у него отсутствует обратная связь с ним. Движение происходит медленно и способно истощать человека физически.
Перечисленные факторы наряду с неудобством управления протезом, до сих пор сдерживает массовое распространение и использование таких аппаратов. Вследствие отсутствия чувствительности протеза, любые действия его хозяина сопряжены с разрушениями, например, от чересчур сильного сжатия ломаются предметы.
Для преодоления этих затруднений начались испытания нейропротезов второго поколения – они создаются двунаправленными с обеспечением обратной связи. Человек управляет протезом и ощущает свои действия.
Для реализации и практического воплощения данной функции исследовались участки мозга, отвечающие за ощущения при совершении тех или иных действий. Был исследован процесс преобразования «чувства - сигналы», и передача сигналов непосредственно в мозг человека, управляющего протезом.
Задача сложная и имеет несколько вариантов решений: прямой передачей сигналов в мозг и стимуляцией нервов потерянной конечности, направляя нервные импульсы в любую другую часть тела, откуда съем и обработка сигнала упрощены.
Данный этап считается исследователями самым важным и приближает к решению задачи разработки полнофункционирующего протеза, полностью имитирующего работу естественной конечности.
Все выпускаемые сегодня протезы имеют обратную связь, обеспечивающую чувствительность давления в  соединительной части протеза с телом, необходимое для косвенного понимания ситуации. Моторизованные протезы ещё более облегчают управление: протез управляется мускульными импульсами, и слышат шум работы мотора и его изменения, когда протез перемещает что - нибудь, и вместе с тем ощущают давление при контакте тела и протеза. Ранее исследователи предполагали применять в качестве обратной связи вибрацию или давление воздуха, стимуляцию нервов в месте контакта.
Но реализовать обратную связь трудно, поскольку человек уже потерял чувствительность, а нужно не только создать ощущения от движения конечности, но и записать их в определенные участки мозга. Протезы сейчас оборудованы множеством датчиков, что решает первую задачу, но не вторую.
В Университете штата Юта, США, первая задача была решена следующим образом: в месте контакта с телом протеза подсоединялись к нервам электроды, затем нервные окончания стимулировались слабыми электрическими токами. Испытуемый при этом чувствовал движение своих пальцев и когда он дотрагивался до предметов.
Но теперь возникла другая задача – как понять, пациент трогает предмет или уже сжимает его. То есть встала необходимость при помощи компьютера проанализировать положение в пространстве и прикладываемое усилие пальцев протеза, перед очередной стимуляцией нерва

.
Во Флоридском международном университете (Florida International University, FIU) в Майами отказались от использования электродов. Вместо этого ученые создали электрод-манжету. Испытания ее прошли успешно.
Следующей задачей, над которой трудились исследователи, была длительность функционирования протеза, его надежность. Поскольку для его замены необходима хирургическая операция.
Следующим шагом в развитии нейропротезирования стала идея, передачу сенсорики движений необходимо осуществлять не через группу нервов, ачерез кожу.
Центр бионической медицины при Чикагском институте реабилитации в 2002 году разработал процедуру «целевой иннервации» для мышц груди. Решено было не стимулировать нервы в месте контакта протеза, а перенаправить стимуляцию в  грудные мышцы. Пациент сосредоточился на движении протеза конечности, а иннервация осуществлялась для нервных окончаний мускулов груди. Эксперимент прошел успешно, пациент не только двигал протезом, а ощущал касание свое протеза с предметом, как будто касались его груди. Мозг воспринимал полученные импульсы как прикосновение ладони и пальцев, хотя иннервации подверглась часть кожных нервов.
Метод новаторский, но не идеальный, и зависит от физиологии конкретного человека: спектра нервных импульсов и расположения нервных окончаний. Однако, компании, например, HDT Robotics, совершенствуют протезы данного типа.
В случае, если нервные связи между телом и мозгом разорваны,   необходимо непосредственно стимулировать нейроны части мозга, ответственные за эту конечность.
Какие именно нейроны задействуются – не вполне изученная область. Поэтому существует два способа решения этой неопределенности: идентифицировать и имитировать импульсы или обучить нейроны мозга нужной нам реакции.
Для задачи идентификации в мозг помещают электроды и фиксируют информацию о задействованных нейронах для того, чтобы в будущем именно их и стимулировать. Этот метод был реализован на практике учеными Чикагского университета в 2012 году.
Обучение нейронов похоже на наработку условного рефлекса. В медицинской школе Университета Дюка были проведены эксперименты, в ходе которых обезьянам стимулировали нейроны мозга, при передвижении ими виртуальной конечности. Они получали низкочастотные стимулирующие сигналы в случае захвата вещи с грубым рельефом, а если рельеф был гладкий – высокочастотные сигналы. В зависимости от частоты стимулирующих импульсов для возбуждения нейронов, обезьяны научились выбирать подходящий предмет. Таким образом, их обучили ощущать шероховатость поверхности предметы.
Недостаток технологии вживления электродов в том, что несмотря на их малые размеры, они задействуют все расположенные близко нейроны. Последствия и реакции тела непредсказуемы, и могут возникать в непредвиденных областях тела, вместо желаемой.
Так образовалось новое направление в нейропротезировании – онтогенетика. В участки мозга, подвергающиеся стимуляции, вводят белки, чувствительные к свету. Обезьян обучали совершать действия, стимулирующие участки мозга, насыщенные протеином, затем стимулировали эти участки светом. В результате эксперимента обезьяны совершали заданные движения в 90 % случаев. Практическое применение этой методики для человека ученые прогнозируют лет через 10—20.
Естественность ощущений
Исследователи предполагают еще не скорое достижение эффекта «искусственной естественности» в области совершенствования нейроинтерфейсов и протезировании.
Известно, что исследовательская программа Минобороны США выделила более 140 миллионов долларов на создание протеза, оснащённого сотней датчиков для обеспечения естественных ощущений пользователя протеза.
В апреле 2016 года стало известно, что Иэну Беркхарту из Дублина, штат Огайо, США, с параличом всех конечностей из-за сломанного позвоночника, вернули частично двигательную активность. Ему реализовали обратную связь между мозгом и мышцами, за счет вживления системы имплантов. На протяжении двух лет осуществлялись данные работы под руководством Чеда Баутона из Института медицинских исследований Файнстайна.
Как этого удалось добиться? Баутон и его коллеги сделали Беркхарту функциональное магнитно-резонансное сканирование мозга в  момент, когда он воображал движение своих рук. Была обозначена зона двигательного кортекса таким образом. Хирургически имплантированный чип выделил определённый паттерн сигналов, который проявлялся, когда пациент думал о своей двигательной активности. Информация записывалась на компьютер, соединенный с имплантированным чипом. Полученная информация формировала последовательность электрических импульсов, поступающие гибкие манжеты на правой руке Беркхарта.
Таким образом, впервые часть тела человека была восстановлена.
Беркхарт научился играть в видеоигру и держать стакан. Чем дольше он учился управлять своей реанимированной рукой, тем улучшалась его координация, движения становились увереннее. Баутоном создал гибкий машинный алгоритм, учитывающий происходящие изменения, обеспечивающий всё более точные движения.
Созданная система является лабораторной и требует калибровку. Кроме того, Беркхарт не ощущает предметы.
Рождение киборгов
Термин киборгизация произошел из-за интеграции тела человека и нейропротезов. Подразумевает исследование нейроинтерфейсов, соединение с  нервной системой человека, формирование шаблонов сигналов нервной активности в момент движений, разработку гибких алгоритмов машинного обучения для приспособления протезов к физиологическим особенностям человека.
Однако стоимость удобных нейропротезов составляет десятки тысяч долларов, что ограничивает их массовое применение. К тому же мощность таких новинок, применительно к гражданским и военным нуждам различна. Так в гражданском варианте функционально-электрическая стимуляция ног велосипедиста составляет 20 Вт мощности. Это 1/10 часть мощности, производимой тренированным велосипедистом.
Машинное обучение
В Кибатлоне примут участие 80 исследовательских групп, от небольших стартапов, до крупных мировых производителей протезов, из 25 стран мира.
Место проведения Кибатлона — цюрихский хоккейный стадион на 7600 зрителей. По аналогии с паралимпийскими играми, участников соревнований называют пилотами, а не атлетами