Многие различные расстройства могут нарушить нервно-мышечные каналы, по которым мозг взаимодействует со своей внешней средой и контролирует ее. Амиотрофический боковой склероз, инсульт ствола мозга, травма головного или спинного мозга, церебральный паралич, мышечный дистрофия, рассеянный склероз и многие другие заболевания нарушают нервные пути, которые управляют мышцами или нарушают работу самих мышц. Они затрагивают почти два миллиона человек только в США и гораздо больше во всем мире. Наиболее серьезно пострадавшие могут потерять весь контроль над мышцами, включая движения глаз и дыхание, и могут быть полностью парализованы, не имея возможности общаться каким-либо образом. Современные технологии жизнеобеспечения могут позволить большинству людей, даже тем, кто находится в изоляции, жить долго, так что личное, социальное и экономическое бремя их инвалидности является продолжительным и тяжелым. При отсутствии методов устранения ущерба, причиненного этими расстройствами, существует 3 варианта восстановления работоспособности.
1. Первый заключается в том, чтобы расширить возможности оставшихся путей. Мышцы, которые остаются под добровольным контролем, могут заменить парализованные мышцы. Люди, в значительной степени парализованные массивными поражениями ствола мозга, часто могут использовать движения глаз для ответа на вопросы, давать простые команды или даже управлять программой обработки текста; и сильно расшатанные пациенты могут использовать движения рук для производства синтетической речи.
2. Вторым вариантом является восстановление функции путем обхода перерывов в нейронных путях, которые управляют мышцами. У пациентов с травмой спинного мозга, электромиографическая (ЭМГ) активность от мышц выше уровня поражения может контролировать прямое электрическое стимулирование парализованных мышц, и тем самым восстановить полезные движения. Последним вариантом восстановления функций для людей с нарушениями двигательной функции является предоставление мозгу нового, не мышечного канала связи и управления, прямого мозгового компьютерного интерфейса (МКИ) для передачи сообщений и команд во внешний мир. Различные методы мониторинга деятельности мозга может служить в качестве МКИ. К ним относятся, помимо электроэнцефалографии (ЭЭГ) и более инвазивных электрофизиологических методов, магнитоэнцефалография (МЭГ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), функциональная магниторезонансная томография (ФМРТ) и оптическая визуализация. Однако МЭГ, ПЭТ, ФМРТ, МРТ и оптическая визуализация все еще требуют больших технических затрат и затрат. Кроме того, ПЭТ, МРТ и оптическая визуализация, которые зависят от кровотока, имеют длительные временные константы и поэтому менее подвержены быстрой связи. В настоящее время только ЭЭГ и связанные с ней методы, которые имеют относительно короткие временные константы, могут функционировать в большинстве сред и требуют относительно простого и недорогого оборудования, предлагают возможность создания нового не мышечного канала связи и управления, практичного МКИ.
3. Третий уровень адаптации учитывает и использует адаптационные способности мозга. Когда электрофизиологический сигнал, который обычно является отражением функции мозга, становится конечным продуктом этой функции, то есть когда он становится результатом, несущим намерение пользователя во внешний мир, он включает в себя адаптивные возможности мозга. Как и в обычных нейромышечных каналах связи и управления мозга, на характеристики сигнала МКИ влияют команды устройства, в которые они преобразуются: результаты работы МКИ влияют на будущий вход МКИ. В наиболее желательном (и, будем надеяться, типичном) случае мозг изменит сигнальные характеристики таким образом, чтобы улучшить работу. Если, например, особенностью является амплитуда мю-ритма, то корреляция между этой амплитудой и намерениями пользователя, мы надеемся, со временем возрастет. Алгоритм, включающий в себя третий уровень адаптации, мог бы отреагировать на это увеличение, вознаградив пользователя более быстрым обменом информацией. Таким образом, она будет признавать и поощрять развитие пользователем более высоких навыков в этой новой форме коммуникации. С другой стороны, чрезмерная или ненадлежащая адаптация может ухудшить показатели работы или препятствовать дальнейшему развитию навыков. Правильный дизайн этого третьего уровня адаптации, вероятно, будет иметь решающее значение для развития ИМФ. Поскольку этот уровень предполагает взаимодействие двух адаптивных контроллеров, мозга пользователя и системы МКИ, его разработка относится к числу наиболее сложных задач, стоящих перед исследователями МКИ.
Наиболее популярные и многие научные спекуляции о МКИ начинаются с аналогии "чтения мыслей" или "прослушивания проводов", предполагающей, что целью является просто прослушивание мозговой активности, отраженной в электрофизиологических сигналах, и тем самым определяющей пожелания человека. Эта аналогия игнорирует основополагающий и центральный факт развития и функционирования МКИ.
ИЦТ изменяет электрофизиологические сигналы от простых отражений деятельности центральной нервной системы (ЦНС) к целевым продуктам этой деятельности: посланиям и командам, которые действуют на мир. Он изменяет такой сигнал, как ритм ЭЭГ или скорость запуска нейронов из отражения функции мозга в конечный продукт этой функции: выход, который, как и выход в обычных нервно-мышечных каналах, соответствует замыслу человека.
МКИ заменяет нервы и мышцы и движения, которые они производят с электрофизиологическими сигналами и аппаратными и программными средствами, которые преобразуют эти сигналы в действия. Нормальные нейромышечные каналы мозга зависят от их успешной работы на основе обратной связи. Как стандартные результаты, такие как говорение или ходьба, так и более специализированные результаты, такие как пение или танцы, требуют их первоначального приобретения и последующей постоянной корректировки на основе контроля промежуточных и конечных результатов.
Когда обратная связь отсутствует с самого начала, двигательные навыки не развиваются должным образом, а когда обратная связь теряется позже, навыки ухудшаются.
Современные исследование МКИ
Хотя во многих исследованиях описаны электрофизиологические или другие измерения функций мозга, которые коррелируют с одновременными нейромышечными выходами или намерениями и поэтому могут функционировать в системе МКИ, относительно немногие рецензируемые статьи описывают использование человеком систем, соответствующих определению МКИ. Эти исследования рассматриваются здесь. Исследования обширной группы, в которых описываются явления, которые могут служить основой для BCI, упоминаются только в тех случаях, когда они непосредственно связаны с фактическими системами МКИ.
Современные МКИ делятся на 5 групп на основе электрофизиологических сигналов, которые они используют. Первая группа, те, кто использует вепсов, являются зависимыми ИБП, т.е. они зависят от мышечного контроля направления взгляда. Другие 4 группы, те, кто использует медленные корковые потенциалы, P300 вызванные потенциалы, мю и бета-ритмы, и корковых нейронов потенциалы действия, как полагают, являются независимыми BCI, хотя это предположение по-прежнему в определенной степени по-прежнему нуждается в полном подтверждении.
Будущее коммуникации и контроля на основе ИМФ.
Не мышечная связь и контроль больше не являются просто спекуляциями. Исследования, рассмотренные в предыдущем разделе, показывают, что прямая связь мозга с внешним миром возможна и может служить полезным целям. В то же время, реальность еще не соответствует фантазии: МКИ еще не могут летать на самолетах и вряд ли будут летать в ближайшее время. Текущие независимые МКИ в лучшие моменты достигают 25 бит/мин. Для тех, у кого нет никакого добровольного контроля над мышцами или у кого остаточный контроль (например, движение глаз) слабый, легко усталый или ненадежный, эта скромная способность может оказаться ценной.
Для людей, которые полностью парализованы (например, ALS, инсульт ствола мозга или тяжелая полинейропатия) или не имеют никакого полезного мышечного контроля (например, из-за острого церебрального паралича), BCI может дать возможность быстро ответить на простые вопросы (например. 20 бит/мин - это 20 вопросов "да/нет"/мин, или одна треть секунды), контроль окружающей среды (например, освещения, температуры, телевидения и т.д.), медленная обработка текста (т.е. с помощью программы прогнозирования, 25 бит/мин может производить 2 слова/мин) или даже нейропротезирование. Тем не менее, будущая стоимость технологии МКИ будет в значительной степени зависеть от того, насколько может быть увеличена скорость передачи информации. Развитие МЦИ все еще находится на самых ранних стадиях. Пока не ясно, как далеко может или будет заходить поле. Очевидно, что то, как далеко он зайдет, будет зависеть от ряда важнейших вопросов.
К ним относятся Независимость МКИ от нормальных нейромышечных каналов связи и зависимость от внутренних аспектов нормальной работы мозга; выбор методов получения сигнала, характеристик сигнала, методов его извлечения, особенностей, алгоритмов перевода, устройств вывода и протоколов работы; разработка стратегий обучения пользователей; внимание к психологическим и поведенческим факторам, влияющим на мотивацию и успех пользователя; принятие стандартных методов исследования и критериев оценки; выбор приложений и групп пользователей; и практически неизвестные возможности и ограничения каналов не мышечной коммуникации.
МЦИ позволяет человеку общаться с внешним миром или контролировать его без использования нормальных путей выхода периферийных нервов и мышц мозга. Сообщения и команды выражаются не сокращения мышц, а электрофизиологические явления, такие как вызванные или спонтанные особенности ЭЭГ или активность коры нейронов. Работа МКИ зависит от взаимодействия двух адаптивных контроллеров - пользователя, который должен поддерживать тесную взаимосвязь между своими намерениями и этими явлениями, и МКИ, который должен преобразовывать эти явления в команды устройства, реализующие замысел пользователя.
Современные BCI имеют максимальную скорость передачи информации 25 бит/мин. Благодаря этому они могут выполнять базовые коммуникационные и контрольные функции (например, контроль среды, простая обработка текста) для людей с наиболее тяжелыми нейромышечными нарушениями, например, связанными с поздней стадией ALS или инсультом ствола мозга. Они также могут контролировать нейропротез, который обеспечивает захват рук теми, у кого травмы шейного отдела позвоночника среднего уровня.
Более сложные приложения, полезные для большего количества пользователей, зависят от достижения большей скорости и точности, т.е. более высокой скорости передачи информации.
