Нейроинтерфейс позволил общаться с «запертыми» людьми
Международная группа ученых разработала систему, которая позволяет пациентам с синдромом «запертого человека» отвечать «да» или «нет» на заданные вопросы. Результаты работы опубликованы в журнале PLoS Biology.
Синдромом «запертого человека» называется состояние полного паралича мышц, при котором пациент не может двигаться и разговаривать, при этом находится в полном сознании с незатронутыми эмоциями и мышлением. Некоторые из таких людей могут реагировать на сказанное движениями глаз, состояние остальных внешне практически не отличается от комы (в этом случае оно называется синдромом «полностью запертого человека»). Причиной этого состояния могут стать травмы головы, инсульт, энцефалит, полиомиелит и различные неврологические расстройства, связанные с поражением двигательных нейронов или их аксонов.
Существующие экспериментальные нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) могут частично вернуть «запертым» людям возможность общаться, но требуют имплантации электродов непосредственно в мозг. Попытки создать аналогичные интерфейсы, основанные на регистрации мозговых волн (электроэнцефалографии, ЭЭГ) и некоторых других проявлений активности мозга, успехом пока не увенчались.
В поиске неинвазивной технологии для общения при синдроме «запертого человека» сотрудники Тюбингенского университета с коллегами из других научных центров Германии, США, Китая и Швейцарии создали систему, основанную на функциональной спектроскопии в ближней инфракрасной области (фБИКС, fNIRS). Этот метод позволяет оценивать активность различных участков коры мозга по интенсивности кровотока в них — гемоглобин, в отличие от тканей, хорошо поглощает ближнее инфракрасное излучение.
В испытаниях системы приняли участие четыре пациента, у которых синдром «запертого человека» развился в результате бокового амиотрофического склероза — неизлечимого заболевания, при котором гибель двигательных нейронов приводит к прогрессирующему параличу мышц. В ходе эксперимента исследователи использовали машинное обучение с учителем (методом опорных векторов), чтобы натренировать алгоритм различать ответы «да» и «нет» по изменениям кровотока в лобно-центральных участках коры мозга. Для этого они регистрировали подобные изменения методом фБИКС в то время, когда пациенты реагировали на заведомо верные (например, «Париж — столица Франции») или неверные (например, «Париж — столица Германии») утверждения. Три пациента в течение нескольких недель прошли 46 обучающих сессий, четвертый — 20. Дополнительно к фБИКС ученые регистрировали ЭЭГ, чтобы проверять внимательность участников — низкочастотные дельта- и тета-волны, соответствующие сну, дреме или медитации, коррелировали с увеличением числа ошибок системы.
В результате обучения система смогла различать ответы «да» и «нет» с 70-процентной точностью. После этого пациентам стали задавать вопросы, ответы на которые неизвестны (например, «Болит ли у вас что-нибудь?» или «Хотите ли вы съездить в Лондон?»). Каждый вопрос повторяли 10 раз, и если система по меньшей мере в семи случаях регистрировала ответ «да», он считался реальным мнением пациента.
Таким образом, с помощью системы ученые и родственники получили возможность общаться с «запертыми» пациентами. К примеру, одна из участниц сообщила, что хотела бы увидеть Нью-Йорк, другая — навестить брата в Испании, а пожилой пациент выразил отрицательное отношение к браку своей внучки с мужчиной младше нее.
Исследователей интересовал вопрос, насколько их подопечные удовлетворены жизнью в своем состоянии, и, по словам одного из авторов работы Нильса Бирбаумера (Niels Birbaumer), все участники сообщили, что «жизнь прекрасна». Эти контринтуитивные данные соответствуют результатам исследования 2011 года, согласно которым большинство пациентов со стабильным синдромом «запертого человека» вполне довольны жизнью, что необходимо учитывать при обработке запросов на эвтаназию (при стабилизации «запертого» состояния отношение к жизни может измениться в лучшую сторону). Как пояснил другой член научного коллектива Уджвал Чаудхари (Ujwal Chaudhary), существует гипотеза о том, что мозг людей в этом состоянии, пытаясь защитить рассудок, утрачивает способность к обработке негативных эмоций.
Разработкой и совершенствованием нейроинтерфейсов занимаются группы ученых по всему миру, и многим удалось достичь немалых успехов. В качестве примеров можно привести системы, позволяющие управлять отдельными пальцами протеза, самостоятельно принимать пищу, передвигаться и осязать искусственную руку при параличе конечностей, а также частично восстановить спинной мозг после травмы. Недавно американо-китайскому коллективу удалось довести скорость неинвазивного нейроинтерфейса до одного символа в секунду.
Олег Лищук
Он надежно обхватывает хрупкие предметы, не повреждая их
Инженеры из Японии и Вьетнама разработали мягкий манипулятор ROSE, способный бережно захватывать хрупкие предметы, не повреждая их. Он состоит из мягкой воронкообразной оболочки, напоминающей цветок розы, которая способна скручиваться, равномерно обхватывая предмет, оказавшийся внутри. Благодаря своей универсальности и прочности манипулятор может пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая. Доклад с описанием конструкции был представлен на конференции Robotics: Science and Systems, 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Чтобы робот мог безопасно взаимодействовать с хрупкими объектами, его обычно оснащают манипуляторами, в конструкции которых присутствуют мягкие материалы. Нередко их устройство в той или иной степени имитирует анатомию человеческой руки. Например, пальцы трехпалого захвата EndoFlex с внутренней стороны покрыты мягким силиконом. Однако для управления манипуляторами такого типа обычно требуются несколько актуаторов и сложные алгоритмы позиционирования, которые позволяют подстраивать пространственное положение пальцев и руки в соответствии формой и положением захватываемого предмета. Кроме это, сила прикладывается к объекту неравномерно и только в точках соприкосновения с пальцами, поэтому ее может оказаться недостаточно для удержания. Манипулятор, разработанный инженерами под руководством Ван Ан Хо (Van Anh Ho) из Японского национального института передовых промышленных наук и технологи, имеет более простую конструкцию и для полноценной работы достаточно только одного актуатора. Принцип его работы напоминает раскрытие цветка розы, поэтому разработчики дали ему название ROSE. Рабочая часть манипулятора представляет собой прочную оболочку из силиконовой резины (первые повреждения на изогнутом краю появились только после 400 тысяч циклов срабатывания), которая образует двустенный стакан. Внешняя часть оболочки прикреплена нижней частью к круглому пластиковому основанию с отверстием в центре, а внутренняя воронкообразная поверхность к вращающемуся цилиндру, вставленному в центральное отверстие основания. При вращении внутренней оболочки относительно внешней происходит сжатие манипулятора. Если при этом во внутренней полости оказывается предмет, то он равномерно обхватывается с боков. Усилие и площадь обхвата можно регулировать с помощью угла закручивания оболочек относительно друг друга, а также нагнетанием давления воздуха в пространство между стенками стакана. Для изучения характеристик манипулятора его присоединили к роборуке UR5. Испытания показали, что захват может выдержать максимальную нагрузку около 328 Ньютон при собственной массе захвата 49 грамм, что дает значение соотношения грузоподъемности к весу примерно 6800 процентов от массы захвата вместе с ротором. Манипулятор может бережно и безопасно обхватывать хрупкие предметы различной формы и размеров не нанося им повреждений. В экспериментах использовались стальные шары, фрукты, клейкая лента, банка с кофе и куриное яйцо, которое захват легко вытащил из миски с оливковым маслом, что довольно трудно осуществить, так как из-за масла яйцо становится скользким. Кроме этого, ROSE может захватывать и сыпучие материалы, например, гравий и гальку. https://www.youtube.com/watch?v=E1wAI09LaoY Инженеры придумали способ, с помощью которого манипулятору можно добавить способность «чувствовать» захватываемый предмет. Для этого они разместили множество небольших меток с внутренней стороны оболочки. Их положение контролируется с помощью компьютерного зрения через три небольшие камеры, закрепленные на пластиковом основании манипулятора. По мнению разработчиков, ROSE мог бы пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая и не только. В будущем они планируют продолжить работу над математической моделью деформации оболочки при скручивании. Иной тип мягкого манипулятора продемонстрировали инженеры из Австралии. Он способен ухватывать предметы, обвиваясь вокруг них как щупальце осьминога.