На сегодняшний день много внимания уделяется изучению системы для обмена информацией между мозгом человека и электронным устройством. Это технология, которая позволяет человеку взаимодействовать с внешним миром на основе регистрации электрической активности мозга — электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Желание человека совершить какое-то действие отображается в изменениях ЭЭГ, что, в свою очередь, расшифровывает компьютер. Эта система называется нейроинтерфейс — он же — «мозг-компьютер».
Ключевые слова: робототехника, Arduino, нейроинтерфейс, нефтегазовая промышленность.
Общие принципы нейрофизиологических систем
История нейроинтерфейса началась в 1875 году, когда английский доктор Ричард Катон обнаружил, что может зарегистрировать электрическое поле на поверхности мозга кроликов и обезьян. Первый нейроинтерфейс появился в 1950-е годы: профессор физиологии Йельского университета Хосе Мануэль Родригес Дельгадо изобрел устройство «Стимосивер», управляемое с помощью радиосигналов, а в 1963 году вживил его в мозг быков и управлял ими через портативный передатчик. В 1973 году впервые был употреблен термин «brain-computer interface» — нейроинтерфейс. В 1998 году ученый Филипп Кеннеди имплантировал первый нейроинтерфейс в пациента, парализованного после инсульта, — музыканта Джонни Рэя.
В России несколько лабораторий занимаются изучением нейроинтерфейсов. Так в лаборатории МГУ им. М.В Ломоносова была создана технология «Нейрочат», позволяющая людям с ограниченными возможностями общаться: гарнитура преображает мысленные усилия в команды для клавиатуры компьютера или других исполнительных устройств.
Нейроинтерфейсы также используются в области охраны труда при выполнении опасных работ, например, в газовой промышленности. К технологии начинает проявлять интерес бизнес, отдавая предпочтение различным игрушкам, управляемым «силой мысли». Однако в данной области существует ряд проблем. Специалисты отмечают, что для того, чтобы внедрять в здорового человека электроды, нет пока ни юридической, ни этической базы. Также нейроинтерфейс может сделать мозг человека объектом, в который захотят проникнуть правительства, рекламодатели, и др.
Мозг человека как центр управления роботом
Минимальной структурной единицей нервной системы является нейрон — клетка, которая самостоятельно или в ответ на приходящие нервные импульсы способна генерировать электрический ток. От тела клетки отходит длинный отросток-аксон, по которому нейрон посылает сигнал, а древовидные отростки-дендриты служат для приёма импульсов извне. Таким образом нейроны общаются друг с другом и воздействуют на другие клетки. Особенность нейронов — зависимость силы воздействия не от величины импульса, а от частоты, с которой нервные клетки генерируют их: чем выше частота, тем сильнее будет воздействие от этого нейрона.
Главным органом, осуществляющим управление всем организмом, является головной мозг. Он регулирует деятельность всех систем, ответственен за сознание, мышление, речь и другие функции, и является основным органом нервной системы, которая позволяет организму адекватно реагировать на различные события, получать и обрабатывать информацию. Сложность устройства головного мозга и широкий спектр решаемых им задач обусловлены огромным числом как самих нейронов, так связей между ними. Клетки мозга общаются между собой с помощью электрических токов. Зарегистрировать электрическую активность мозга можно с помощью специальных приборов — электроэнцефалографов. Для этого на поверхности головы располагают парные сигнальные электроды, а за ухом закрепляют опорный электрод, служащий для согласования электрической цепи прибора и тела человека. На практике используют систему из 20 электродов, одновременно регистрируя 10 сигналов из разных отделов мозга. Они усиливаются, фильтруются от помех и шумов и в итоге записываются на компьютере. Элекроэнцефалограмма (ЭЭГ) имеет сложную структуру, т. к. получается от суммарного воздействия миллионов нейронов и искажается из-за прохождения через мягкие ткани головы и череп. Однако существуют математические методы, которые позволяют анализировать такой сигнал.
Электрическую активность мозга можно представить в виде сумм волн определённой формы — ритмов ЭЭГ. Каждый ритм связывают с определённым видом деятельности или состоянием человека. В норме у бодрствующего человека можно наблюдать два ритма.
— α -ритм ЭЭГ выражен в затылочных отделах мозга и имеет наибольшую амплитуду в состоянии спокойного бодрствования. Если повышается внимание или мысленная активность, то амплитуда уменьшается. Характерно возникновение спонтанных изменений, выражающихся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн.
— β -ритм представляет собой более частые колебания и присущ состоянию активного бодрствования. Выражен в лобной доле, но при различных видах деятельности усиливается и распространяется на другие области. Интенсивность возрастает при предъявлении неожиданного стимула, концентрации внимания, умственном или эмоциональном напряжении.
ЭЭГ и похожий метод электрокортикографии, при котором электроды накладываются в ходе операции на поверхность головного мозга, применяются в интерфейсах «мозг-компьютер», позволяя управлять внешними устройствами силой мысли. Например, парализованные люди могут заново научиться управлять манипулятором или экзоскелетом.
Рис. 1. Зависимость элекроэнцефалограммы от различных состояний человека
Электромиография. Управление роботом силой мышц
Сокращение мышцы обеспечивают миоциты — мышечные клетки. Их «двигателем» является актин-миозиновый комплекс, который состоит из двух белков. Актин формирует тонкие нити, которые прикрепляются к противоположным концам клетки. Когда в цитоплазме клетки повышается содержание ионов кальция, миозин прикрепляется к нити актина и делает «гребок». Таким образом миозин «шагает» по актину. Благодаря этому миозин сближает актиновые нити противоположных концов клетки и миоцит сокращается. Такой комплекс развивает небольшое усилие, но в мышце их очень много, поэтому она способна развивать большую силу. Миоциты — сократительные мышечные клетки, которые изменяют свою длину и развивают усилие. Миоцитам необходимо сообщить, что они должны сократиться. Для этого нейроны посылают электрические сигналы мышцам, а те в ответ сокращаются. Когда мы задумываем какое-то движение, в головном мозге активируются нейроны двигательной коры. Они передают сигналы в спиной мозг, где располагаются мотонейроны. В спинном мозге сигналы о сложном движении переводятся на понятный мышцам язык: когда и насколько нужно сократиться. Эти сигналы к мышцам поступают через мотонейроны, которые электрическими импульсами управляют мышцами.
Когда к миоциту приходит электрический импульс, внутри него начинает работать актин-миозиновый моторчик — мышечная клетка сокращается. При этом клетки становятся генераторами электрического тока. Сила сокращения определяется не величиной, а частотой приходящего сигнала. Чем чаще к миоциту приходят нервные импульсы, т. е. чем меньше промежуток времени между ними, тем большую силу он развивает, т. к. он просто не успевает расслабиться и остаётся в напряжённом состоянии.
Электромиография — метод, позволяющий измерить электрическую активность мышц во время их сокращения и после обработки сигнала сделать вывод о различных параметрах их работы. Внутри мышцы при её сокращении протекают малые токи — это проявление электрической активности мышечных клеток. Чтобы такую активность можно было измерить, используют специальные приборы — электромиографы. Они представляют собой сложные устройства, которые фильтруют электрический сигнал мышцы, очищая его от помех и шумов, а затем усиливают в десятки тысяч раз. Такой сигнал уже можно регистрировать и обрабатывать.