Всего пять минут было дано каждому из 100 участников недавно завершившегося международного эксперимента1 для того, чтобы начать пользоваться интерфейсом мозг-компьютер. По прошествии этого времени они должны были набрать слово из пяти букв без использования клавиатуры, используя лишь «силу мысли». Большинство из них смогли сделать это без единой ошибки.
Интерфейс мозг-компьютер (ИМК) — это технология, позволяющая управлять компьютером и другими внешними устройствами без помощи мышц. Пользователь ИМК учится произвольно изменять активность некоторых систем своего мозга в нужных направлениях. Компьютер в свою очередь настраивается на выделение признаков этих подаваемых пользователем знаков из сигналов, регистрируемых с помощью вживленных в мозг электродов, магниторезонансного сканера, оптических систем, но чаще всего — слабых (обычно не более десятков микровольт) электрических колебаний мозгового происхождения, регистрируемых на поверхности кожи головы (электроэнцефалограммы, или ЭЭГ).
ИМК разрабатывается главным образом как средство помощи парализованным людям. Кроме того, все чаще делаются попытки соединить ИМК-технологию с компьютерными играми — возможность управлять происходящим в игре без единого мышечного усилия, лишь «силой мысли», выглядит очень необычной и потому привлекательной.
Еще сравнительно недавно было распространено мнение, что овладение ИМК непременно требует длительных тренировок. Однако в последние годы интерес разработчиков ИМК привлекли технологии, позволяющие максимально упростить процесс обучения. Одна из них, обычно называемая «интерфейс мозг-компьютер на волне П300», и была использована в эксперименте австрийца Кристофа Гугера (руководителя компании g.tec Guger Technologies OEG) и его коллег из Австрии, Италии и США, о котором идет речь.
Как ни странно, первая публикация, в которой была описана эта технология, появилась более 20 лет назад2, но долгие годы эту работу никто не пытался повторить. Интерес к ней резко возрос в последние годы, когда оказалось, что эта методика находится среди лучших из существующих ИМК по скорости передачи текста, а главное — научиться ее использованию значительно проще, чем использованию других ИМК-технологий.
Как видно из названия, данный ИМК использует «волну П300» — отклонение в позитивную сторону электрического потенциала кожи головы над центральными и теменными областями коры мозга, которое наблюдается примерно через 300 мс после предъявления стимулов, сравнительно редко встречающихся среди других стимулов, от которых они чем-то отличаются. Пользователь этого интерфейса видит перед собой таблицу с буквами, строки и столбцы в которой подсвечиваются в случайном порядке. Его задача -считать или как-то иначе мысленно отмечать подсветки, приходящиеся на нужную ему букву, и игнорировать все остальные. После мысленно выделенных подсветок в ЭЭГ появляется сравнительно высокоамплитудная волна П300, после игнорируемых — ее нет либо она слабо выражена. Поскольку в ЭЭГ всегда присутствует большое число других компонентов, точная детекция единичных волн на их фоне обычно невозможна, поэтому подсветки каждой строки и каждого столбца повторяют по крайней мере несколько раз, а фрагменты ЭЭГ, привязанные к каждой из подсветок, усредняют раздельно по номерам столбцов и строк. После усреднения можно определить столбец и строку, реакция мозга на подсветку которых была наиболее выражена. На пересечении этих столбца и строки, скорее всего, и находится та буква, которую пользователь хотел бы ввести в интерфейс. Она выводится на экран, после чего пользователь концентрируется на следующей букве.
Фиксация взгляда на нужной букве помогает ее вводу. Положение взгляда управляется глазными мышцами, потому эта разновидность ИМК (как, впрочем, и большинство других) не обеспечивает полную независимость от мышечного аппарата. Однако основным «рычагом управления» все же являются не глазные мышцы, а внимание к подсветкам нужной буквы.
Задача пользователя очень проста, поэтому работа в ИМК на П300 возможна почти без всякого обучения. Точнее, почти без обучения человека: пройти обучение должен ИМК. Как и в большинстве других ИМК-технологий, точная детекция нужных компонентов мозговых сигналов требует настройки на их индивидуальные особенности, которые довольно сильно различаются у разных людей. Именно на обучение ИМК и уходили те пять минут, в течение которых участник эксперимента еще не мог начать набирать «силой мысли» буквы на экране компьютера. В ходе тренировки пользователь должен концентрироваться на тех буквах, которые предлагаются самим интерфейсом. Сравнивая реакции на подсветки этих букв с остальными подсветками, компьютерная программа настраивает классификатор, который и используется в дальнейшей работе с ИМК этого пользователя.
В статье, принятой в июне к публикации в журнале Neuroscience Letters и уже появившейся на сайте журнала, Гугер и его соавторы не сообщают о фундаментальных научных результатах. Они лишь интегрировали в своей методике наиболее удачные находки, как описанные в публикациях последних лет, так и сделанные ими самими в процессе исследований в области интерфейса мозг-компьютер. Полученный основной результат — демонстрация возможности чрезвычайно быстро освоить управление ИМК практически с нуля — прикладной, но вполне впечатляющий. В более ранних публикациях по ИМК на П300 для обучения классификатора использовались записи ЭЭГ-сигнала, полученные на протяжении десятков минут. Столь длительный процесс обучения компьютера утомителен для пользователей, особенно для больных, и неприемлем в случае, если ИМК нужно использовать в процессе оказания неотложной помощи.
Пока что в массовом тестировании принимали участие лишь здоровые добровольцы. Не исключено, что многие больные не смогут столь же быстро осваивать ИМК, как здоровые люди — например, из-за трудностей концентрации внимания. Уже известно, что многие из глубоко парализованных больных вполне способны осваивать работу с ИМК, и можно надеяться, что в распространении на них самых современных ИМК-технологий нет принципиально непреодолимых трудностей.
Однако в практическом применении ИМК важно не только быстрое освоение работы с ним, но и возможность его эффективного использования в течение длительного времени. В этом, к сожалению, прогресс пока невелик. Для того, чтобы ИМК из экзотического приспособления, довольно неудобного при длительном использовании, превратился как бы в естественное продолжение человеческого тела, недостаточно лишь продолжения его технического усовершенствования: требуется более глубокое проникновение в природу тех явлений, которые могут использоваться в его основе, и даже, возможно, принципиально новые подходы к перспективам развития взаимодействия человека и ИМК. Интерфейс мозг-компьютер впервые в эволюции позволил мозгу интенсивно общаться с внешним миром без помощи мышечного аппарата, и мы, скорее всего, находимся лишь в начале понимания многообразия возможностей, которые тем самым открываются перед человеком.
Сергей Шишкин
1 Guger C, Daban S, Sellers E, Holzner C, Krausz G, Carabalona R, Gramatica F, Edlinger G. How many people are able to control a P300-based brain-computer interface (BCI)? Neurosci Lett. 2009 Jun 21.
2 Farwell LA, Donchin E. Talking off the top of your head: toward a mental prosthesis utilizing event-related brain potentials. Electroencephalogr Clin Neuro-physiol. 1988 Dec;70(6):510-23.