Обезьян научили управлять искусственной рукой при помощи мозговых импульсов
|
Две обезьяны с вживленными в мозг электродами научились управлять механической рукой, имеющей 5 степеней свободы, одной лишь «силой мысли». Успех эксперимента был обеспечен оригинальной методикой обучения, в ходе которого контроль над искусственной рукой постепенно переходил от компьютерного «автопилота» к обезьяне. При этом «обучалось» не только животное, но и программа, интерпретирующая мозговые импульсы и преобразующая их в движения механической руки.
Разработка протезов, которыми человек мог бы управлять точно так же, как настоящими конечностями, — при помощи мозговых импульсов — является одной из актуальных задач медицины. В последнее время в этой области исследований наблюдается значительный прогресс. И обезьяны, и люди уже могут мысленно управлять движением курсора на экране компьютера (см.: В компьютерную игру можно играть силой мысли). Но управлять курсором намного проще, чем пользоваться таким сложным устройством, как рука, в настоящем трехмерном пространстве.
Группа американских нейробиологов, медиков и робототехников сообщила в последнем номере журнала Nature о сенсационном результате: им удалось научить двух макаков резусов брать пищу и отправлять ее в рот при помощи механической руки с «мысленным» управлением.
В экспериментах использовалась искусственная рука, по своим механическим характеристикам близкая к настоящей. У нее пять степеней свободы: она может двигаться в плечевом суставе вверх-вниз, вправо-влево и вращаться вокруг своей оси (три степени свободы), в локтевом суставе она может только сгибаться-разгибаться (четвертая степень свободы); кроме того, она снабжена хватающей «кистью» в виде клешни, которая может сжиматься и разжиматься (пятая степень свободы). Все движения осуществляются при помощи моторчиков с компьютерным управлением.
Ученые вживили двум макакам по 96 электродов в участок первичной моторной коры (Primary motor cortex), управляющий движениями плеча и предплечья. Эти электроды у двух обезьян были немного по-разному распределены (подробности см. в дополнительных материалах к статье). Попадание электродов в те или иные конкретные точки коры было в значительной мере случайным, и уж во всяком случае никто не мог знать заранее, какие из электродов будут воспринимать мозговые команды, скажем, о подъеме руки, а какие — о сгибании локтя. Это предстояло выяснить в ходе дальнейших экспериментов. Долгий курс обучения должны были пройти не только обезьяны, но и компьютерная программа, в задачи которой входила интерпретация мозговых сигналов и преобразование их в команды, управляющие движениями механической руки.
На начальном этапе обезьян учили управлять искусственной рукой при помощи джойстика с кнопкой (кнопка предназначалась для открывания и закрывания клешни); кроме того, обезьяны просто смотрели на автоматические движения руки, которая брала пищу из разных мест и подносила ее ко рту обезьяны (известно, что вкусная пища — чуть ли не единственный стимул, побуждающий обезьяну в лабораторных условиях быть внимательной и чему-то учиться). Пока механическая рука двигалась, а обезьяна на нее смотрела, компьютер регистрировал сигналы, поступающие от 96 электродов, и подвергал их сложной статистической обработке. Сигналы от некоторых датчиков не коррелировали с движениями руки, и эти датчики впоследствии не учитывались. Для остальных электродов компьютер определял, какие движения искусственной руки сопровождаются наиболее сильными нервными импульсами. Так были выявлены электроды (и соответствующие точки мозга), которые избирательно реагируют на те или иные движения (вверх-вниз, вперед-назад и вправо-влево), а также на сжимание и разжимание пальцев. Соответствующий «рисунок» возбуждения нейронов интерпретировался как команда, посылаемая мозгом. Например, если данные 10 датчиков регистрировали наиболее сильные сигналы при подъеме руки, то в дальнейшем, когда управление рукой передавали обезьяне, сигналы от этих 10 датчиков компьютер преобразовывал в команду «поднять руку».
После этого этапа предварительного обучения исследователи попытались сразу передать обезьянам всю власть над механической рукой, но ничего не вышло: обезьяны не справилась с управлением. Тогда пришлось пойти более долгим путем постепенной передачи контроля от «автопилота» обезьяне. При этом училась не только обезьяна, но и компьютер: интерпретация нервных импульсов постоянно уточнялась и «подстраивалась» к текущему состоянию обезьяньего мозга. Как выяснилось, такая подстройка должна осуществляться ежедневно, потому что компьютерная интерпретация мозговых сигналов, рассчитанная на основе вчерашних экспериментов, сегодня может для той же самой обезьяны оказаться недостаточно точной. Кроме того, импульсы, генерируемые мозгом во время пассивного наблюдения за автоматически движущейся рукой, оказались не совсем идентичными тем, что генерируются при непосредственном «мысленном» управлении искусственной конечностью.
Задача, которую обезьяна должна была выполнить при помощи искусственной руки, изо дня в день была одна и та же: нужно было взять пищу (пастилу или ягоду), которая появлялась в разных местах в пределах досягаемости, и поднести ее ко рту (а потом, разумеется, съесть, но это уже делалось без помощи технических средств). Самая трудная часть задания состояла в том, чтобы поднести раскрытую клешню точно к пище. Для этого нужно было управлять рукой с точностью до нескольких миллиметров, иначе еду не удастся схватить. Подносить пищу ко рту можно было с меньшей точностью, поскольку обезьяна могла шевелить головой (ее руки — настоящие, а не искусственные — были закреплены в специальных трубках).
В течение нескольких недель контроль над искусственной рукой постепенно передавался от «автопилота» обезьяне. Помощь «автопилота», упрощенно говоря, состояла в том, что обезьяне было легче совершать «правильные» движения, чем «неправильные» — искусственная рука охотнее двигалась в нужном направлении, чем в любом другом. Постепенно эта помощь слабела. С точки зрения обезьяны это означало, что задача становилась всё более трудной, так что ей приходилось каждый день продолжать учиться, постепенно совершенствуя мастерство владения искусственной рукой.
Наконец автопилот был полностью отключен, и обезьяны стали совершенно самостоятельно кормить себя при помощи механической руки, управляемой мозгом. Нельзя сказать, что это получалось у них так же ловко, как настоящими руками, но всё же в большинстве случаев пища была успешно схвачена и доставлена ко рту (см. видео в дополнительных материалах к статье).
Авторы отмечают, что обезьяны не просто выучили серию механически повторяющихся «ментальных» действий, а освоили настоящее сознательное управление искусственной конечностью. Это подтверждается несколькими фактами. Во-первых, положение пищи всё время менялось, так что тянуть искусственную руку нужно было в разные стороны.
Во-вторых, ученые провели дополнительный опыт, в котором пища была внезапно передвинута в тот момент, когда обезьяна уже поднесла к ней свою клешню. Если бы обезьяна теперь направила клешню к лакомству по прямой линии, угощение было бы сбито с подставки. Нужно было переместить конечность по дуговой траектории, и обезьяна отлично с этим справилась.
В-третьих, в ходе экспериментов обезьяны освоили ряд новых движений, которым их никто не учил. Например, если во время поднесения пищи ко рту лакомство падало, обезьяны не продолжали двигать ко рту пустую клешню, а останавливали ее в ожидании следующей порции. Они также научились совершать клешней небольшие движения около рта, чтобы удобнее было ее облизывать, и не тянули руку к новой порции пищи до тех пор, пока не оближут хорошенько. Сначала они держали клешню закрытой в течение всего времени переноса пищи ко рту, но потом заметили, что пастила прилипает к клешне и обычно не падает, даже если клешню разжать. Тогда они стали разжимать клешню не у самого рта, а еще в пути.
Идеи и методы, придуманные авторами, должны помочь медикам и инженерам в разработке протезов нового поколения с «мысленным» управлением.
Источник: Meel Velliste, Sagi Perel, M. Chance Spalding, Andrew S. Whitford, Andrew B. Schwartz. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding // Nature. Advance online publication 28 May 2008 (doi:10.1038/nature06996).
Александр Марков
