«Нейропротез – это миниатюрный электронный имплант, который может восстанавливать движение, чувствительность, считывать информацию об объектах».
На Фестивале радиоэлектроники обсуждали инженерные проблемы проектирования нейросистем с НИИМЭ. Александра Гончарова, руководитель группы биомедицинской электроники Отдела перспективных исследований НИИМЭ, рассказала об истории протезирования и разработке систем сенсорной обратной связи.
История протезирования
Первые протезы появились еще в древнем мире, они были косметическими. История протезирования развивалась через несколько важных этапов:
- Древние протезы: самый первый протез пальцев изобрели в древнем Афганистане. Его сделали для знатной женщины, потерявшей большие пальцы. В Древнем Риме находили бронзовые руки, которые могли держать щит.
- Простые механические протезы: позже придумали протезы с ремнями и рычагами. Чтобы согнуть такую руку, нужно было двигать здоровым плечом или другой частью тела.
- Современные протезы: высокотехнологичные устройства, которые считывают электрические сигналы от сохранившихся мышц и преобразуют их в движения, управляются сложными алгоритмами и имеют естественный внешний вид.
Как работают нейропротезы?
Чтобы понять принцип действия нейропротезов, нужно понимать, как работает нервная система. Важное свойство мозга — нейропластичность — способность к восстановлению и образованию новых связей. Это основа обучения и реабилитации.
«Нейроны находятся на небольшом расстоянии друг от друга, процесс общения между нейронами и посылом нейрохимического сигнала называется процессом нейротрансмиссии. Если нейроны тренировать, то спустя 2-3 раза мы можем заметить, что нейронная сеть расширится».
Любое произвольное движение рождается в моторной коре головного мозга, сигнал по спинному мозгу доходит до мышц и активирует их. Нейропротезы могут считывать эти сигналы на двух уровнях: на уровне мозга и на уровне мышц.
Современные нейропротезы
Современные протезы умеют не только двигаться, но распознавать текстуры.
«Одна из актуальных задач нейропротезирования — разработать протез, который будет ощущать предметы не хуже настоящих».
Для этого на протез устанавливают тактильные сенсоры. Чтобы протез отличал, например, бумагу от стекла, инженеры используют машинное обучение: алгоритмы учатся распознавать паттерны сигналов с датчиков. Возврат чувствительности — это сложная междисциплинарная задача на стыке инженерии, нейробиологии и машинного обучения.
«Для точного распознавания текстур, например, чтобы отличить хлопок от шерсти, протез использует сложные сенсорные модули. Собранные данные обрабатываются алгоритмами машинного обучения, которые классифицируют текстуры с точностью до 99%. Если между прикосновением и возникновением ощущения проходит несколько секунд, это неприменимо в реальной жизни. Наша задача — сократить это время до долей секунды, чтобы обратная связь была мгновенной и естественной».
Современные протезы учатся не только двигаться, но и чувствовать, чтобы сделать обратную связь максимально быстрой для пользователя. Задача для инженеров — сделать технологию практичной для повседневной жизни, этим и занимаются в НИИМЭ.