News

26 April, 2022 12:25

«Активные» нейроинтерфейсы для здоровых людей: ближайшие перспективы

Уже в недалеком будущем технологии отдачи команд компьютеру напрямую из мозга, возможно, начнут широко использоваться здоровыми людьми. Такое предположение выдвинул в статье жанра Opinion, опубликованной в журнале Frontiers in Neuroscience, Сергей Шишкин, сотрудник МЭГ-центра Московского государственного психолого-педагогического университета. 
Источник: Chris Hope / Wikimedia Commons

Интерфейсы мозг-компьютер, или нейроинтерфейсы, чаще всего создаются для помощи парализованным людям. Обычные средства взаимодействия с компьютерами и мобильными устройствами – клавиатура, мышь или тачскрин – бесполезны, если человек неподвижен. Используя нейроинтерфейс – устройство, определенным образом анализирующее электрические или другие сигналы мозгового происхождения – парализованный человек может подать компьютеру команду напрямую из своего мозга. Например, нейроинтерфейс можно научить откликаться на мысленное представление движения рукой или на фокусировку внимания на мигании буквы в составе экранной клавиатуры. Так можно печатать буквы и слова, выбирать нужные пункты в меню и выполнять другие несложные действия.

Однако нейроинтерфейсы работают намного медленнее, чем мыши и тачскрины, особенно если ставится задача не делать частые ошибки в распознавании команды: в этом случае срабатывания нужно ждать по меньшей мере несколько секунд. Скорость удается существенно повысить только при использовании инвазивных интерфейсов, датчики которых устанавливаются непосредственно в мозг. Такие технологии в настоящее время являются довольно рискованными, и их еще много лет или даже десятилетий будет возможно использовать только при наличии серьезных медицинских показаний. 

Поэтому уже долгое время среди специалистов преобладает точка зрения, согласно которой для здоровых людей, имеющих возможность использовать обычные средства взаимодействия с компьютером, управление компьютером через нейроинтерфейс не представляет интереса. Для них предлагается разрабатывать лишь так называемые «пассивные» интерфейсы мозг-компьютер, которые подстраивают работу компьютерных программ под текущие потребности пользователя, не требуя его внимания. С помощью такого интерфейса, например, можно выбирать темп выдачи информации на экран с учетом текущих возможностей пользователя воспринимать эту информацию, или оптимизировать поиск информации в интернете, сравнивая эмоциональные реакции пользователя на разные результаты поиска. При этом все происходит автоматически – от пользователя не требуются никакие осознанные действия. Пассивный нейроинтерфейс не конкурирует с мышью и тачскрином, а создает дополнительный канал взаимодействия пользователя с компьютером. Поскольку он работает в фоновом режиме, не отвлекая внимание пользователя, с его низкой скоростью работы можно мириться. 

В своей статье ведущий научный сотрудник МЭГ-центра Московского государственного психолого-педагогического университета (МГППУ) Сергей Шишкин обращает внимание на то, что, несмотря на скептическое отношение многих исследователей к использованию здоровыми пользователями «активных» нейроинтерфейсов – выполняющих намеренно, сознательно отданные пользователем команды – попытки приспособления этой технологии для задач здоровых пользователей регулярно продолжаются, хотя и редко доходят до коммерческого применения. При этом в мире независимо друг от друга развиваются несколько направлений экспериментального немедицинского использования активных нейроинтерфейсов: в компьютерных играх, в искусстве и даже во взаимодействии с … автомобилями. В последнем случае, разумеется, нейроинтерфейсы предлагается использовать не для вождения, а для простых операций – выбор места назначения, переключение света в салоне, выбор радиостанции. Именно такого рода нейроинтерфейс был представлен в 2021 году компанией “Мерседес-Бенц” в их новом концепт-каре с системой автономного вождения VISION AVTR. 

Почему же, несмотря на то, что неинвазивные активные нейроинтерфейсы значительно проигрывают обычным средствам взаимодействия с компьютером по скорости работы, некоторые исследователи и разработчики продолжают искать возможности их применения для решения задач здоровых пользователей? По мнению Сергея Шишкина, за этим стоит не только стремление создать необычный, “футуристичный” продукт, но и более рациональные основания. Дело в том, что пользователю современных технических устройств не всегда требуется отдавать им команды как можно быстрее: иногда более важным является сам опыт взаимодействия с устройством. А опыт взаимодействия с использованием нейроинтерфейса оказывается совсем другим, нежели при использовании обычных электронно-механических устройств управления.

«Люди, по-видимому, во все времена обращали внимание на то, что с некоторыми инструментами приятно работать, а некоторые кажутся очень неудобными, – говорит Сергей Шишкин. – И инструменты, которые воспринимаются как удобные, всегда ценили и ценят сейчас. Разумеется, за этим стоят и прагматические соображения: работая с удобным инструментом, меньше устаешь и реже делаешь ошибки. Но работа с удобным инструментом еще и просто более приятная. А современные люди все больше используют технику и тогда, когда не заняты работой. И тут, как заметил голландский исследователь Антон Найхолт (Anton Nijholt), изучающий применение нейроинтерфейсов в компьютерных играх и в искусстве, особенности опыта взаимодействия человека с техникой становятся для него особенно важными. С точки зрения Найхолта, это и делает нейроинтерфейсы привлекательными для здорового пользователя даже несмотря на то, что они не могут конкурировать с традиционными человеко-машинными интерфейсами по своим точностно-скоростным показателям».

Сергей Шишкин подчеркивает, что именно возрастание внимания современного человека к переживанию его взаимодействия с техникой может объяснить продолжающееся в различных странах эксперименты с нейроинтерфейсными технологиями в сфере и компьютерных игр, и экспериментального искусства, и в управлении автономными автомобилями. Например, в пресс-релизе фирмы «Мерседес-Бенц» применение интерфейса мозг-компьютер в их концепт-каре объяснялось целями «дальнейшего улучшения комфорта» и “раскрытия революционных возможностей интуитивного взаимодействия с автомобилем”. 

Отдельная сфера все более активного экспериментирования с нейроинтерфейсами, выделенная в статье исследователя из МГППУ, – виртуальная и дополненная реальность, используемая как в играх, так и для других целей. Эти технологии сами по себе создают необычный опыт как восприятия искусственно созданной или искусственно модифицированной реальности, так и действий в ней. По-своему необычный, «немышечный» и бесконтактный способ действия – управление «силой мысли», точнее, с использованием определенных мысленных действий, приводящих к изменению рисунка работы мозга, которое может быть распознано нейроинтерфейсом – является интересным дополнением к опыту погружения в виртуальные миры. 

Есть и другие причины пытаться использовать нейроинтерфейсы в качестве одного из средств совершения действий в виртуальной и отчасти в дополненной реальности: любые из более традиционных технологий – например, использование специальных контроллеров, которые пользователь держит в руках, движений головы или голоса – имеют каждая свои существенные недостатки. Поскольку они не дают такое же уверенное управление, как средства ввода, используемые в обычной работе с компьютерами и мобильными устройствами, нейроинтерфейсы могут рассматриваться как их вполне серьезный конкурент – или, по крайней мере, как дополняющее их еще одно полезное средство управления. Кроме того, компоненты нейроинтерфейсного управления удобно включать в наголовные дисплеи для виртуальной реальности в связи с тем, что их пользователь в любом случае уже соглашается приобретать довольно недешевое устройство и носить его на голове.

По словам Сергея Шишкина, еще одна возможность для интерфейсов мозг-компьютер стать особенно привлекательными как для здоровых пользователей, так и для больных – это если окажется, что использование по крайней мере некоторых интерфейсов мозг-компьютер ведет к улучшению тех когнитивных функций, которые пользователь активирует для подачи команд в интерфейсе – например, внимания или представления движений. Пока что такие возможности очень мало исследовались.

Более того, как отмечается в статье, опыт взаимодействия с помощью нейроинтерфейсов, несмотря на его важность для понимания их ценности для здоровых пользователей, практически не изучался в систематических исследованиях. Дальнейший прогресс в развитии технологии активных интерфейсов для здоровых пользователей будет критически зависеть от таких исследований.

«Очень возможно, что интерфейсы мозг-компьютер смогут войти в нашу обычную жизнь уже скоро – например, лет через пять-семь, – говорит Сергей Шишкин. – Но, откровенно говоря, пока что об этом можно лишь гадать. До сих пор нет ясности, есть ли что-то всерьез интересное для массового пользователя за пределами “вау-эффекта” – изумления и восторга при первом контакте с новой необычной технологией. Однако анализ публикаций по активным интерфейсам мозг-компьютер показывает, что даже если нынешние интерфейсы и не обеспечивают устойчивый позитивный опыт, есть хорошие шансы приблизиться к этому в ближайшее время». 

Сергей Шишкин обращает внимание на то, что если разработчики будут фокусироваться именно на опыте пользователя, создавать нейроинтерфейсы, привлекательные для здоровых людей, по-видимому, станет гораздо проще. В частности, стоит попробовать использовать феномены, пока что мало изученные в контексте применения в нейроинтерфейсных технологиях. В их числе – так называемые квазидвижения – феномен, открытый пятнадцать лет назад в Германии ученым российского происхождения Вадимом Никулиным. Они представляют собой нечто среднее между обычными и воображаемыми движениями. Первые исследователи квазидвижений отмечали, что научить человека с их помощью стабильно вызывать хорошо различимые изменения рисунка электрических потенциалов мозгового происхождения – то есть именно те “маркеры” отдачи команды, на распознавании которых основана работа нейроинтерфейсов – значительно проще, чем если использовать стандартную методику воображаемых движений. Опыт человека, выполняющего квазидвижения, по-своему необычен. Обучение квазидвижениям и их выполнение сопряжено с фокусировкой на выполнении очень тонких действий, и в то же время научиться им удавалось практически всем участникам экспериментов. Однако подробно этот феномен до сих пор не изучался. 

В настоящее время в МЭГ-центре МГППУ идет работа по проекту, поддержанному Российским научным фондом, в которой будут оценены возможности создания новых нейроинтерфейсов на основе квазидвижений.

Главный вывод исследования: чем больше внимания разработчики интерфейсов мозг-компьютер будут уделять пользовательскому опыту их использования – опыта совершения действий без использования мышц – тем быстрее эти технологии станут привлекательны для массового пользователя.

Удалось выявить, по-видимому, наиболее существенное препятствие, стоящее на пути прихода технологии интерфейсов мозг-компьютер (нейроинтерфейсов) к массовому пользователю – недостаточная изученность опыта пользователя. Преодоление этого препятствия может обеспечить резкий рост числа пользователей. А чем более массовыми станут интерфейсы мозг-компьютер, тем больше ресурсов будет вкладываться в развитие этой технологии, тем меньше будет ее стоимость и, соответственно, тем более доступной она будет для людей, наиболее остро нуждающихся в ней – парализованных и имеющих другие нарушения моторных функций. Кроме того, развитие этой технологии может открыть возможности тренировки различных когнитивных функций как для больных, так и для здоровых людей.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

27 February, 2024
Созданы прозрачные электроды для покрытий «умных» окон
Исследователи из России разработали прозрачные электроды на базе соединения германия и кальция, ко...
26 February, 2024
«Для авиастроения и космической промышленности»: российские ученые разработали новые высокотехнологичные сплавы
Российские ученые разработали линейку жаростойких и прочных сплавов, которые могут найти применени...