Нейроінтерфейс, який навчився керувати аватаром менш ніж за годину, поважаючи природну «проводку» мозку

Дослідники з Єльського університету зробили переворот у проблемному місці розвитку нейроінтерфейсів (Brain-Computer Interfaces, BCI). У дослідженні, опублікованому 9 червня в журналі Nature Neuroscience, вони показали, що неінвазивні BCI не повинні бути повільними, незграбними чи неефективними. Секрет не в кращому обладнанні чи більшій кількості даних — це фундаментальна зміна філософії дизайну: замість того, щоб змушувати мозок вивчати штучний інтерфейс, команда створила систему, яка адаптується до власної природної «операційної системи» мозку .

Головний принцип: слідувати природними магістралями мозку

Центральне відкриття Єльського дослідження полягає в тому, що нейронна активність не є випадковою. Вона рухається уторованими, низьковимірними «многовидами» — уявіть їх як улюблені мозкові магістралі. Попередні BCI часто вимагали від користувачів генерувати випадкові патерни мозкової активності, по суті змушуючи їх їхати бездоріжжям. Команда з Єлю на чолі з першим автором Ерікою Буш (Erica Busch) пішла протилежним шляхом .

«Активність у мозку рухається второваними шляхами, — пояснюють дослідники. — Працювати з цими шляхами, а не проти них, — ось ключ до того, щоб навчитися користуватися BCI» .

Їхня система використовує алгоритм машинного навчання, щоб виявляти ці внутрішні структури-многовиди в режимі реального часу. Потім нейрозворотний зв'язок налаштовується так, щоб вести користувачів цими природними шляхами, дозволяючи їм розширювати многовид у нових напрямках для досягнення контролю .

Ключовий результат: від годин розчарування до менш ніж 60 хвилин

Результати були вражаючими. Учасники, які використовували BCI, узгоджений з нейронною геометрією, навчилися керувати аватаром у відеогрі менш ніж за одну годину. Це разюче відрізняється від попередніх BCI на основі фМРТ у реальному часі, які часто вимагали до 10 тривалих тренувальних сесій на людину. Більше того, у тих старіших системах приблизно третина користувачів взагалі ніколи не досягала стабільного контролю .

Новий підхід фактично усунув проблему «тих, хто не навчається», продемонструвавши, що швидкий, універсальний контроль за допомогою BCI можливий, коли інтерфейс поважає природну структуру мозку .

Методологія: фМРТ у реальному часі та зорова кора

Команда використовувала функціональну магнітно-резонансну томографію (фМРТ) для забезпечення нейрозворотного зв'язку в реальному часі, зосередившись саме на зоровій корі. Учасники навчилися модулювати активність у цій ділянці мозку вздовж вимірів, визначених алгоритмом навчання многовиду. Такий цілеспрямований підхід є відходом від тренування довільних ділянок мозку чи патернів, закріплюючи BCI в конкретній, добре вивченій нейронній системі .

Що стається, коли цим принципом нехтують

Дослідження не лише довело, що працює, — воно також довело, що дає збій. Коли BCI був навмисно спроєктований так, щоб працювати проти природної геометрії мозку, вимагаючи від учасників модулювати активність у вимірах, погано узгоджених із внутрішньою нейронною структурою, навчання зупинилося. Користувачі майже або зовсім не прогресували, ідеально відтворюючи невтішну продуктивність попередніх конструкцій BCI .

Це відкриття — більше, ніж технічна примітка; воно дає причинне пояснення, чому попередні неінвазивні BCI часто зазнавали труднощів. Бар'єром ніколи не була лише якість сигналу чи зусилля користувача — це була фундаментальна невідповідність між дизайном інтерфейсу та операційною архітектурою мозку.

Команда, що стоїть за дослідженням

Це дослідження стало результатом міждисциплінарної співпраці в Єлі. Еріка Буш, нещодавня докторантка, була першим автором дослідження. Відповідальні автори — Сміта Крішнасвамі (Smita Krishnaswamy) з факультетів генетики та комп'ютерних наук Єля та Ніколас Терк-Браун (Nicholas Turk-Browne) з факультету психології. Серед інших авторів — Е. Чандра Фінке (E. Chandra Fincke) та Гійом Лажуа (Guillaume Lajoie) .

Ширші наслідки для медицини, ігор та не тільки

Наслідки виходять далеко за межі відеоігор. Автори стверджують, що будь-яка нейротехнологія, створена для взаємодії з мозком — чи то для допомоги людям із руховими або комунікаційними розладами, розробки методів лікування депресії чи тривожності, чи створення споживчих пристроїв наступного покоління — буде ефективнішою, якщо її побудувати навколо природної геометрії мозку. Дослідження закладає основу для того, щоб зробити ці втручання швидшими, ефективнішими та доступнішими .

Ця людиноцентрична, узгоджена з нейронною геометрією філософія дизайну може стати поворотним моментом. Як припустили в одній зі статей про це дослідження, незабаром для традиційного ігрового контролера може настати «game over» — не через якийсь окремий пристрій, а через розумніший спосіб слухати мозок .