Новый нейроинтерфейс Йельского университета учит управлять аватаром менее чем за час, уважая естественную «проводку» мозга

Исследователи из Йельского университета устранили досадное узкое место в разработке интерфейсов «мозг-компьютер» (ИМК). В исследовании, опубликованном 9 июня в журнале Nature Neuroscience, они показали, что неинвазивные ИМК не обязаны быть медленными, громоздкими или неэффективными. Секрет не в улучшенном «железе» или большем объеме данных — секрет в фундаментальной смене философии дизайна: вместо того чтобы заставлять мозг учить произвольный интерфейс, команда построила систему, которая подстраивается под собственную «операционную систему» мозга .

Главный принцип: следовать естественным маршрутам мозга

Центральная идея исследования Йеля заключается в том, что нейронная активность не хаотична. Она движется по проторенным путям, так называемым низкоразмерным «многообразиям» (manifolds) — представьте их как излюбленные скоростные магистрали вашего мозга. Предыдущие ИМК часто требовали от пользователей генерировать случайные паттерны мозговой активности, по сути, заставляя их «ехать по бездорожью». Команда из Йеля под руководством первого автора работы Эрики Буш (Erica Busch) применила противоположный подход .

«Активность мозга движется по хорошо проторенным маршрутам, — объясняют исследователи. — Работа с этими маршрутами, а не против них, — вот ключ к тому, чтобы научиться использовать ИМК» .

Их система использует алгоритм машинного обучения, чтобы обнаруживать эти свойственные мозгу структуры в реальном времени. Затем нейрообратная связь настраивается так, чтобы вести пользователей по этим естественным путям, позволяя им расширять многообразие в новых направлениях для достижения контроля .

Ключевой результат: от часов разочарования к освоению за час

Результаты оказались поразительными. Участники, использовавшие согласованный с геометрией мозга ИМК, научились управлять аватаром в видеоигре менее чем за час. Это резко контрастирует с более ранними ИМК на основе фМРТ в реальном времени, которые часто требовали до 10 продолжительных тренировок на человека. Более того, в тех старых системах примерно треть пользователей так и не могли достичь стабильного контроля .

Новый подход фактически устранил проблему «необучаемых», доказав, что быстрый и универсальный контроль ИМК возможен, если интерфейс уважает естественную структуру мозга .

Методология: фМРТ в реальном времени и зрительная кора

Команда использовала функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) для предоставления нейрообратной связи в реальном времени, сфокусировавшись конкретно на зрительной коре головного мозга. Участники учились модулировать активность в этой области по направлениям, определенным алгоритмом изучения многообразий. Такой целевой подход отличается от тренировки произвольных областей или паттернов мозга, привязывая ИМК к конкретной, хорошо изученной нейронной системе .

Что происходит, когда принцип нарушается

Исследование не просто доказало, что работает, — оно также показало, что гарантированно ведет к провалу. Когда ИМК был намеренно спроектирован так, чтобы работать против естественной геометрии мозга, — от участников требовали модулировать активность в направлениях, плохо согласованных с внутренней нейронной структурой, — обучение застопорилось. Пользователи почти не демонстрировали улучшений, что в точности воспроизвело неутешительные результаты предыдущих конструкций ИМК .

Эта находка — больше, чем просто техническая ремарка. Она дает причинное объяснение тому, почему более ранние неинвазивные ИМК часто работали плохо. Барьером никогда не было лишь качество сигнала или старание пользователя — барьером было фундаментальное несоответствие между дизайном интерфейса и рабочей архитектурой мозга.

Команда, стоящая за исследованием

Исследование стало результатом междисциплинарных усилий в Йеле. Эрика Буш, недавно получившая степень PhD, была первым автором работы. Ответственные авторы — Смита Кришнасвами (Smita Krishnaswamy) с факультетов генетики и компьютерных наук Йеля и Николас Тёрк-Браун (Nicholas Turk-Browne) с факультета психологии. Среди других авторов — Э. Чандра Финке и Гийом Лажуа (Guillaume Lajoie) .

Более широкие перспективы для медицины, игр и за их пределами

Значение открытия выходит далеко за рамки видеоигр. Авторы утверждают, что любая нейротехнология, предназначенная для взаимодействия с мозгом — помогает ли она людям с двигательными или коммуникативными расстройствами, разрабатывается ли для лечения депрессии или тревожности, или создается для потребительских устройств следующего поколения — будет более эффективной, если она построена вокруг естественной геометрии мозга. Исследование закладывает основу для того, чтобы сделать эти вмешательства более быстрыми, действенными и доступными .

Эта человеко-ориентированная, согласованная с геометрией мозга философия дизайна может стать поворотным моментом. Как было замечено в одной из статей об этом исследовании, скоро для традиционного игрового контроллера может наступить «game over» — не из-за какого-то одного устройства, а благодаря более умному способу слушать мозг .