На пути к Матрице: виртуальная рука получила виртуальное осязание

Биоинженерам удалось установить связь между электронным заменителем осязания и электронным заменителем руки.

Виртуальная обезьяна виртуальной рукой трогает виртуальные объекты. (Рисунок авторов исследования.)

Международная команда исследователей под руководством Мигеля Николелиса из Университета Дьюка (США) разработала мозговой имплантат, позволяющий управлять искусственной — виртуальной — рукой.

Сам по себе результат не является чем-то выдающимся: подобные устройства известны относительно давно. Но в данном случае революционным является то, что управление этой рукой опирается на виртуальное чувство осязания, которое «испытывает» искусственная конечность.

Любое наше движение возможно благодаря сенсорной обратной связи: мы видим, куда движется, например, наша рука, и делаем вывод, следует ли продолжать движение или надо остановиться. В мозгу происходит постоянный обмен информацией между моторной зоной коры, контролирующей движения, и её «чувствующими» участками. Зрительную обратную связь для контроля над искусственными конечностями учёные и инженеры уже научились использовать. Но зрение даёт далеко не полную информацию: наши движения зависят и от осязания. Самый банальный пример: если мы попытаемся взять прозрачный стеклянный стакан, то в большей степени будем руководствоваться осязанием. Глаз не скажет нам, достаточно ли крепко мы держим предмет, чтобы не уронить его, и не слишком ли крепко сжимаем его, чтобы не раздавить.

Исследователи имплантировали в мозг макак резуса два набора электродов: одни были внедрены в моторную кору, другие — в соматосенсорную, обрабатывающую сигналы от осязательных рецепторов. С помощью моторных электродов обезьяны могли перемещать виртуальную конечность по экрану монитора. Поскольку животные могли видеть, что делается на экране, им довольно быстро удавалось сообразить, что у них появилась ещё одна «конечность». Затем обезьянам предлагали с помощью виртуальной конечности выбрать между тремя виртуальными объектами на экране монитора. Но все объекты были абсолютно одинаковы на вид, и различить их можно было только по осязанию. Учёным удалось воссоздать восприятие текстуры поверхности: дотрагиваясь виртуальной рукой до виртуальных дисков, обезьяны чувствовали различие между ними. Электроды в соматосенсорной коре подавали в мозг разные сигналы в зависимости от того, до чего дотрагивалась виртуальная рука. Если обезьяна делала правильный выбор, она получала награду.

Прочую работу мозг выполнял сам: из обмена данными между моторной и соматосенсорной корой обезьяна понимала, что нужно делать дальше. Главной проблемой, по словам исследователей, было разделить два рода сигналов: те, что мозг посылал виртуальной «руке», и те, которые приходили от «руки» в осязательный анализатор. Одновременный поток импульсов к «руке» и от «руки» привёл бы к полной неразберихе. Поэтому исследователи сделали сигналы чередующимися, на каждый поток было выделено по 50 миллисекунд. Судя по тому, что обезьяны справились с заданием, такое неестественное ограничение не вызвало у их мозга никаких затруднений.

Результаты экспериментов учёные подробно излагают в своей статье на страницах журнала Nature.

Если отвлечься от неизбежных ассоциаций с к/ф «Матрица», то такая электронная реконструкция двустороннего потока данных между мозгом и внешней средой могла бы стать настоящим спасением для людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата. В идеале даже полностью парализованный человек мог бы обрести подвижность с помощью своеобразного экзоскелета, управляемого по описанной схеме.

Следовало бы ещё раз подчеркнуть, что учёным удалось подчинить движения искусственной конечности не зрительному анализатору, а полностью смоделированным осязательным ощущениям. Правда, дешифровка этих ощущений — дело дальнейших исследований: очевидно, что обезьяны чувствовали по-разному, но что именно они чувствовали, сказать пока никто не может. Кроме того, в следующий раз учёные собираются охватить большее число нейронов, чтобы дать мозгу ещё больший контроль над искусственными руками — и, да, основательно приблизить нас к «Матрице».

Подготовлено по материалам Университета Дьюка.