Управление компьютером силой мысли когда-то было чистой научной фантастикой, но теперь это стало возможным благодаря технологии интерфейса «мозг-компьютер» (BCI). Современные системы BCI достигли выдающихся успехов в управлении сложными машинами с помощью мысли, но существует одна большая проблема — идентификация нового сигнала, который можно записать через кожу головы и череп.
Исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, и Школы медицины Джонса Хопкинса в Балтиморе достигли прорыва в неинвазивной, высокоразрешающей записи нейронной активности мозга.
В статье, опубликованной в Scientific Reports, команда демонстрирует, что деформации нейронной ткани могут предоставить новый сигнал для активности мозга, который может быть использован в будущих устройствах BCI.
Исследование APL было частью программы неинвазивной нейротехнологии следующего поколения Агентства передовых оборонных исследований.
"Сегодня самые эффективные технологии BCI требуют инвазивных хирургических имплантатов для записи и декодирования активности мозга", — сказал Майк Уолметц, менеджер программы по человеческому и машинному интеллекту в APL.
"Существует всего несколько неинвазивных методов, все из которых имеют значительные и фундаментальные ограничения по пространственному разрешению, временной разрешающей способности, соотношению сигнал/шум и форм-фактору. Наши результаты представляют собой основу для нового подхода, который может значительно расширить возможности неинвазивных BCI."
Технологии BCI работают, записывая нейронную активность, связанную с функцией, такой как речь, движение или внимание, а затем интерпретируя эту активность, часто для управления внешним устройством без необходимости двигать мышцей.
Управление сложными системами без хирургических имплантатов может иметь широкий спектр применений, которые принесут пользу более широкой аудитории. В настоящее время BCI ограничены клиническими случаями из-за своей инвазивной природы. Примерно 50 человек получили имплант BCI.
"Существует две проблемы для реализации неинвазивного устройства BCI: идентификация сигнала в мозге, который мог бы дать представление о том, когда и где происходит нейронная активность, и демонстрация способности записывать этот сигнал через кожу головы и череп человека", — сказал Дэвид Блоджетт, главный исследователь проекта и главный ученый в APL.
Команда стремилась решить первую из этих задач, разработав систему цифровой голографической визуализации (DHI), чтобы идентифицировать и подтвердить сигнал как деформацию ткани, которая происходит во время нейронной активности. Деформация ткани составляет всего десятки нанометров в высоту, поэтому система DHI была разработана с чувствительностью на нанометровом уровне.
Система DHI работает, активно освещая ткань лазером и записывая свет, рассеивающийся от нейронной ткани, на специальную камеру.
Эта информация обрабатывается, чтобы создать сложное изображение ткани, из которого можно точно записать информацию о величине и фазе, чтобы пространственно разрешить изменения скорости мозговой ткани. В течение нескольких лет было проведено множество фундаментальных тестов, чтобы убедиться, что сигнал, который команда идентифицировала, действительно коррелирует с моментом, когда нейроны активируются.
Нейронный сигнал было трудно идентифицировать из-за конкурирующего шума от физиологического загрязнения, такого как кровоток, частота сердечных сокращений и частота дыхания.
Блоджетт, чья специализация заключается в разработке технологий воздушной и подводной дистанционной разведки, описал задачу как проблему дистанционного зондирования, где команде необходимо было обнаружить небольшой сигнал — нейронную активность — в сложной, загруженной среде — мозге.
Чтобы справиться с этой задачей, потребовался широкий спектр технических возможностей. Блоджетт и его команда сотрудничали с Johns Hopkins Medicine и собрали многопрофильный опыт в области биомедицинской визуализации, подводного изображения, акустической обработки, систем аппаратного и программного обеспечения в реальном времени, нейронауки и медицинских исследований.
Хотя целью команды было уменьшить физиологическое загрязнение, чтобы идентифицировать нейронный сигнал, они обнаружили, что загрязнение также может дать представление о здоровье человека. Возможность записи физиологических сигналов расширяет потенциал применения системы.
Одним из примеров стало осознание того, что система могла неинвазивно записывать внутричерепное давление. Когда врачам необходимо измерить внутричерепное давление пациента, им необходимо просверлить отверстие в черепе.
Если кто-то получает травму головы и ему вводят лекарство, врачи не знают, работает ли лекарство, пока пациент не проснется. Возможность мониторинга здоровья мозга снаружи может помочь клиницистам решить эти проблемы без инвазивных методов.
"Способность контролировать функцию и здоровье мозга через череп без инвазивных операций является очень клинически полезной", — сказал Остин Лефевр, доцент неврологии в Университете Джонса Хопкинса и автор статьи.
"Хотя все еще нужно многое понять о нейронном сигнале, результаты команды открывают новые пути для оптической записи функции мозга, устанавливая цифровую голографическую визуализацию в качестве неинвазивной модальности, способной к высокому разрешению", — сказал Уолметц. "Приоритетом сейчас является демонстрация потенциала для основных и клинических приложений в нейронауках у людей."