211service.com
Małpa myśli robota do działania
W dramatycznym pokazie potencjału protez ramion małpa z University of Pittsburgh była w stanie wykorzystać swój mózg do bezpośredniego sterowania ramieniem robota i nakarmienia siebie pianką. Badania opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Natura , jako pierwszy pokazuje, że interfejs, który bezpośrednio przetwarza sygnały mózgowe na działanie, jest wystarczająco zaawansowany, aby pełnić praktyczną funkcję: jedzenie. Naukowcy, którzy kierowali pracami, właśnie rozpoczęli testy na ludziach powiązanej technologii.
Siła mózgu: Małpa z szeregiem maleńkich elektrod wszczepionych do mózgu używa swoich myśli do kontrolowania ramienia robota, chwytając kawałek pianki i wkładając go do ust. Naukowcy ostatecznie mają nadzieję, że tego typu interfejs maszyny mózgowej pomoże sparaliżowanym ludziom w wykonywaniu codziennych czynności, takich jak karmienie się czy szczotkowanie włosów.
Po raz pierwszy małpa – lub człowiek – bezpośrednio, za pomocą mózgu, kontroluje prawdziwą protezę ręki, mówi Kryszna Szenoj , neurolog z Uniwersytetu Stanforda, który nie był zaangażowany w badania.
Osoby cierpiące na udary lub urazy rdzenia kręgowego lub na niektóre choroby neurodegeneracyjne, takie jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS), często są sparaliżowane. Ale ich kora mózgowa – części mózgu, które kontrolują ruch, planowanie i inne funkcje – mogą pozostać w dużej mierze nienaruszone. Naukowcy mają nadzieję wykorzystać to, opracowując interfejsy mózg-maszyna – urządzenia, które przekształcają aktywność mózgu w działanie, takie jak ruch kursora na ekranie komputera.
Ludzie, którzy są całkowicie sparaliżowani, mogą teraz używać interfejsów maszyny mózgowej, które nieinwazyjnie mierzą sygnały rejestrowane z powierzchni skóry głowy, ale urządzenia są powolne i wymagają ciągłej koncentracji do działania. Stworzenie protezy, która działa jak prawdziwe ramię — użytkownik myśli o poruszaniu ramieniem, a ono się porusza — najprawdopodobniej będzie wymagało rejestrowania aktywności elektrycznej bezpośrednio z mózgu.
Multimedialne
Zobacz, jak małpa używa ramienia robota, by się nakarmić.
Zobacz, jak małpa manipuluje ramieniem robota, aby mógł polizać rękę robota.
Stało się to możliwe w ostatnich latach dzięki postępom w maleńkich macierzach elektrod wykorzystywanych do rejestrowania sygnałów neuronowych. W poprzednich badaniach , John Donoghue a jego koledzy z Brown University wykazali, że elektrody wszczepione do mózgu sparaliżowanego mężczyzny mogą być używane do poruszania kursorem na ekranie komputera, a nawet wykonywania prostych ruchów ramieniem robota. Ale to i inne badania były ograniczone do ruchów jedno- lub dwuwymiarowych i, poza kilkoma przypadkami użycia mechanicznego ramienia lub chwytaka, zostały przeprowadzone wirtualnie na ekranie.
W najnowszych badaniach kierowanych przez neurologa Andrzeja Schwartza na Uniwersytecie w Pittsburghu małpa była w stanie wykonać bardziej skomplikowane zadanie. Andy posunął się o krok dalej, tworząc praktyczne urządzenie, które może być przydatne w prawdziwym świecie, mówi Jan Kalaska , neurolog z Uniwersytetu Montrealskiego w Kanadzie, który napisał komentarz towarzyszący publikacji. Zwierzę może po prostu, poprzez swego rodzaju mentalną praktykę, zmusić robota, aby przesunął się w kierunku miejsca, w którym znajduje się [jedzenie], zamknął rękę, przyniósł go z powrotem do ust i pozwolił mu je zjeść.
Aby osiągnąć ten wyczyn, dwie małpy miały wszczepioną siatkę mikroelektrod w korze ruchowej, części mózgu, która kontroluje planowanie i wykonanie ruchu. Zwierzęta były wcześniej szkolone do poruszania antropomorficznym ramieniem robota z ruchomymi stawami na barkach, łokciach i nadgarstkach za pomocą joysticka. Aby nauczyć się kontrolować protezę za pomocą swoich umysłów, małpy miały tymczasowo skrępowane ramiona, gdy obserwowały, jak komputer wykonuje wymagane ruchy – aby wyciągnąć rękę do kawałka jedzenia, chwycić go, przyłożyć do ust i zwolnij go. Wyobrażają sobie, że wykonują to zadanie, tak jak sportowcy, mówi Schwartz. Neurony są aktywne, gdy obserwują ruch, a następnie możemy przechwycić [sygnały neuronowe] i wykorzystać je do własnej kontroli.
Schwartz i jego zespół użyli stosunkowo prostych algorytmów do dekodowania wzorców aktywności neuronowej zarejestrowanych podczas fazy obserwacji, a następnie wykorzystali te informacje do sterowania ramieniem robota w czasie rzeczywistym. (Naukowcy mogą wywnioskować zarówno kierunek, jak i prędkość zamierzonego ruchu na podstawie aktywności zespołów neuronów w korze ruchowej: aktywność określonych zbiorów komórek wskazuje kierunek, podczas gdy amplituda sygnału ogólnego dyktuje prędkość.)
Po zaledwie dwóch dniach treningu małpy nauczyły się kontrolować ramię w trzech wymiarach i kontrolować umieszczony na końcu chwytak, który działa jak ręka. Zwierzęta nauczyły się nawet używać ręki w sposób, w jaki nie zostały wytresowane: towarzyszący film pokazuje zwierzę używające ręki do wpychania kawałka jedzenia do ust. W drugim filmie małpa podnosi chwytak z powrotem do ust i liże go, ignorując kolejny kawałek jedzenia. Jest tak dobry w używaniu narzędzia, że może myśleć o nim jako o części własnego ciała, mówi Schwartz. Porównuje proces uczenia się do nauki używania myszy do sterowania kursorem komputera. Mówi, że po pewnym okresie nauki nie myślisz o tym, jak aktywować mięsień w palcu wskazującym, aby nacisnąć lewy przycisk myszy. W ten sposób umieściłeś kursor na ekranie.
Schwartz i jego współpracownicy testują teraz tę technologię na ludziach. Pierwszy test, rozpoczęty zaledwie w zeszłym tygodniu, dotyczy pacjenta z padaczką, który przechodzi test diagnostyczny, znany jako elektrokortykografia, w którym elektrody są chirurgicznie umieszczane na powierzchni mózgu, aby spróbować zidentyfikować źródło napadów. Elektrody powierzchniowe są bardziej precyzyjne niż nieinwazyjne zapisy na skórze głowy i są mniej inwazyjne niż elektrody wszczepione do mózgu, chociaż zapewniają bardziej zgrubny poziom kontroli. Naukowcy podejmą się tego testu diagnostycznego i spróbują wykorzystać sygnały zarejestrowane z elektrod do sterowania programem komputerowym.
Jeśli się powiedzie, naukowcy rozpoczną testowanie technologii u pacjentów z ALS. W końcowej fazie tej choroby pacjenci są całkowicie sparaliżowani; program komputerowy sterowany mózgiem może pomóc im w wykonywaniu podstawowych czynności, takich jak pisanie e-maila. Uważamy, że może to dać im sposób komunikowania się z innymi, który jest szybszy niż istniejące metody, mówi Schwartz. Mamy nadzieję, że uda nam się stworzyć interfejs zapewniający umiarkowaną prędkość pisania, około 30 do 40 słów na minutę.
Naukowcy zamierzają przetestować w pełni wszczepione elektrody, takie jak te używane u małpy do kontrolowania ramienia robota, u ludzi w ciągu najbliższych dwóch lat. W przypadku ludzi w pełni oczekuję, że uzyskam znacznie lepszą kontrolę, mówi Schwartz. Oprócz tego, że łatwiej jest trenować, ludzie mogą, miejmy nadzieję, wyjaśnić, co jest trudne lub wymaga poprawy, mówi.
Nawet jeśli testy te zakończą się powodzeniem, przed rutynowym stosowaniem takich urządzeń u pacjentów pozostają znaczne przeszkody. Stosowane obecnie elektrody nie są idealne do długotrwałego nagrywania: z czasem sygnały ulegają degradacji. A cały system ostatecznie będzie musiał być przenośny i bezprzewodowy, a przynajmniej przyjazny dla użytkownika. „Musimy to na tyle ułatwić, aby pacjenci mogli ćwiczyć w dowolnym momencie, zamiast kazać technikowi przychodzić do domu i ustawiać skomplikowany sprzęt”, mówi Schwartz. Mamy nadzieję, że nastąpi poprawa w zakresie macierzy elektrod – od powłok bioaktywnych po telemetrię. Za dwa lata wiele z tego powinno być na miejscu.