Он не может двигаться, но управляет мышкой силой мысли. И каждый клик — его личная победа

Исследователи Калифорнийского университета в Дэвисе разработали нейрокомпьютерный интерфейс , позволяющий управлять курсором и совершать клики силой мысли. В разработке принял участие пациент с боковым амиотрофическим склерозом (БАС), который смог использовать систему для повседневных задач, включая самостоятельную работу с персональным компьютером и набор текста.

Неврологические заболевания, такие как инсульт или БАС, способны нарушить связь между мозгом и мышцами. В случае БАС происходит постепенное разрушение верхних и нижних двигательных нейронных путей: при сохранении когнитивных функций наступает паралич всех конечностей и серьезные нарушения речи.

Нейрокомпьютерные интерфейсы представляют собой устройства, имплантируемые в кору головного мозга. Они обходят поврежденные участки, считывая нейронные сигналы напрямую и преобразуя их в команды для машины. Большинство существующих технологий работают с сигналами дорсальной моторной коры — области мозга, отвечающей за движения рук. При расшифровке этих сигналов пользователи могут перемещать курсор, пытаясь совершить или просто представляя, что совершают движение конечностями.

Речевые нейроинтерфейсы, напротив, связаны с вентральной прецентральной извилиной, где формируются сигналы, управляющие мимикой и артикуляцией. Расшифровка нейронных импульсов из этой зоны обеспечивает быструю речевую коммуникацию, однако ранее не использовалась для навигации по компьютеру или управления движением.

Имплантация электродов в обе области была бы идеальным решением, но мы привыкли считать такой вариант хирургически сложным или вовсе невыполнимым. Поэтому пациентам и врачам раньше приходилось выбирать между управлением курсором и распознаванием речи.

В исследовании под названием "Speech motor cortex enables BCI cursor control and click", ученые провели эксперимент с одним участником, чтобы проверить, может ли активность речевой моторной коры обеспечить одновременно управление курсором и распознавание речи через единственный имплант.

В качестве испытуемого был выбран 45-летний мужчина, страдающий параличом всех конечностей и нарушением четкости речи. Все сеансы проводились на дому у пациента.

В вентральную прецентральную извилину хирургическим путем имплантировали четыре массива по 64 электрода. Размещение электродов проводилось под контролем предоперационной МРТ.

Участнику предложили три типа заданий. В первом требовалось силой мысли направлять курсор к целям, расположенным по кругу на экране (радиальная калибровка Radial8). Во втором цели размещались в узлах сетки для оценки точности управления. Третье задание совмещало управление курсором с речевыми командами.

Система считывала нейронные сигналы с высокой частотой — 30 тысяч измерений в секунду, применяя фильтры для выделения значимого диапазона от 250 до 5000 Гц. Каждую миллисекунду производился анализ активности нейронов: отслеживались моменты, когда электрический сигнал превышал пороговый уровень, и измерялась мощность нервных импульсов (спайков) с каждого электрода. Полученные данные группировались в 10-миллисекундные интервалы, формируя потоки из 512 различных характеристик, которые затем использовались для расшифровки намерений человека.

За перемещение курсора отвечал специальный линейный декодер, преобразующий нервные импульсы в команды движения, а отдельный классификатор распознавал намерение совершить клик. Система постоянно самообучалась: параметры декодера обновлялись каждые несколько секунд с помощью математических методов — линейной регрессии для корректировки скорости движения и логистической регрессии для точного распознавания кликов.

Адаптация прошла впечатляюще быстро: уже через 40 секунд после первого включения системы испытуемый сумел мысленно направить курсор к заданной цели на экране и нажать на неё.

На последующих сеансах с оптимизированными настройками эффективность управления курсором достигла в среднем 2,90 бит в секунду. В ранних сессиях показатели были ниже — 1,67 бит в секунду. Максимальная зафиксированная скорость составила 3,16 бит в секунду. Один бит в секунду соответствует способности совершать несколько точных выборов в минуту, более высокие значения указывают на более быстрое и точное управление.

Из 1263 попыток в 1175 случаях цели были выбраны верно, что соответствует 93% точности. Зафиксировано 88 ошибочных выборов, ни одна попытка не была прервана по истечении времени. Шесть кликов пришлись на временно неактивные цели, 23 клика произошли за пределами целевых зон.

Точность распознавания кликов превысила случайный уровень на всех четырех электродных массивах. Один удачно расположенный массив внес наибольший вклад в декодирование движений курсора, практически сравнявшись по эффективности с работой всех массивов.

При одновременном управлении речью и курсором среднее время достижения цели увеличилось до 4,51 секунды. Без речевых команд этот показатель составлял от 3,37 до 3,51 секунды. Другими словами, речевая активность создавала помехи в управлении курсором, однако не вызывала задержек при последовательных действиях. Усовершенствование системы декодирования может снизить влияние помех и повысить удобство использования.

Успех эксперимента показал: один имплант способен заменить сразу несколько устройств, позволяя пациенту и общаться, и работать с компьютером, не выходя из дома.

Технология особенно важна для людей, сохранивших ясность ума, но потерявших возможность двигаться и говорить. Благодаря такому устройству они смогут вернуться к более полноценной жизни.