Лучше пытаться, чем воображать: предложен подход к управлению интерфейсами мозг-компьютер

Сергей Шишкин тестирует сетап эксперимента по квазидвижениям

С помощью электроэнцефалографии компьютер может определить, когда полностью парализованный человек представляет себе, как двигает конечностью, и отреагировать на это роборукой или курсором. Такой подход требует долгих тренировок и достаточно сложен, а потому в качестве альтернативы нейрофизиологи предложили использовать квазидвижения — столь слабые попытки движения, что их можно засечь лишь с помощью ЭЭГ, при этом сигнал все равно будет сильнее, чем при воображении. Компьютер может точнее обработать такие команды, а для человека они более естественны и проще в освоении, сообщает издание "Нейроновости". Авторы работы планируют скорый запуск интерфейса мозг-компьютер (ИМК), управляемого квазидвижениями. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), освещены в журнале Life и на сайте PsyArXiv. 

Квазидвижения — необычный и крайне мало изученный двигательный феномен. Он наблюдается, когда участника эксперимента просят выполнять движение, постепенно уменьшая его амплитуду до тех пор, пока исчезает не только видимое движение, но и активация ответственной за него мышцы. Эти слабые попытки и называются квазидвижениями. Их отражение все еще можно видеть на электроэнцефалограмме (ЭЭГ): на голову испытуемого надевают шапочку с электродами, которые улавливают изменения электрической активности мозга, а специальная программа переводит эти сигналы в графики. Нечто подобное можно наблюдать, когда человек с парализованной или отсутствующей конечностью пытается ей пошевелить.

Ученые из Московского государственного психолого-педагогического университета (МГППУ, Москва) провели эксперимент, в котором 23 молодых добровольца сравнивали квазидвижения с воображаемым и реальным движением. Исследователи сначала обучали их отведению большого пальца руки в реальности, в воображении и в квазидвижении, а затем записывали работу их мозга с помощью электроэнцефалографии. После эксперимента был проведен опрос, чтобы выяснить, о чем думали добровольцы во время выполнения заданий.

По субъективным ощущениям испытуемых, намерение сделать квазидвижение практически не отличалось от намерения выполнить реальное движение. На ЭЭГ же активность мозга при квазидвижении оказалась выше, чем при воображении движений, хотя последние были большой амплитуды. Авторы предположили, что это как-то связано с тем, что попытки выполнения квазидвижений время от времени приводят к незаметному для экспериментатора небольшому напряжению мышц. Может быть, испытуемый это чувствует и переживает, что испортит эксперимент, и в результате изменения в ЭЭГ более выражены.

«Предположительно будучи промежуточной, полуреальной активностью, квазидвижения могут позволить нам лучше понять, как мысленные действия соотносятся с телесными. В частности, наша вторая статья посвящена так называемой агентной осведомленности, то есть характерному субъективному опыту, сопровождающему действия», — рассказывает исполнитель проекта по гранту РНФ Артем Яшин, сотрудник группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ, аспирант философского факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Ученые применили более чувствительную авторскую методику анализа мышечной электрической активности. Оказалось, что часть попыток совершения квазидвижений действительно сопровождается небольшой мышечной активацией, не выявляемой ранее использовавшимися методами. Исследователи назвали такие попытки «квази-квазидвижениями». При воображении движений подобная активация мышц, как и ожидалось, встречалась намного реже. Однако исследование факторов, влияющих на ЭЭГ, с помощью метода смешанных линейных моделей доказало, что различие эффектов при воображаемых движениях и квазидвижениях никак не связано с разной мышечной активацией. Значит, более сильный сигнал мозга при квазидвижениях связан с какими-то более глубинными факторами — возможно, с тем, что квазидвижения действительно значительно ближе к реальным движениям, чем считалось раньше.

«На полученных данных ЭЭГ мы теперь отлаживаем алгоритмы машинного обучения, моделирующие работу нейроинтерфейса, через который можно подавать команды с помощью квазидвижений. Мы надеемся, что вместе с нашими партнерами из Центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики сможем довольно скоро запустить такой интерфейс», — делится планами исполнитель проекта по гранту РНФ Сергей Шишкин, ведущий научный сотрудник МЭГ-центра (Центра нейрокогнитивных интерфейсов) и руководитель группы нейрокогнитивных интерфейсов МГППУ.

Идея использовать квазидвижения для управления интерфейсом мозг-компьютер возникла еще у первооткрывателей этого феномена, поскольку такой подход проще освоить, а вероятность ошибочного «понимания» команды компьютером вдвое меньше. 

«Сочетание воображения движений с ожиданием события в реальном мире, а именно срабатывания управляемого от ИМК устройства вроде экзоскелета, является довольно неестественным, — говорит руководитель проекта по гранту РНФ Анатолий Васильев, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ. — В случае квазидвижений и попыток выполнения движения нет такой явной установки на мысленное действие вместо реального, поэтому они могут оказаться более подходящими для ИМК, сделав его управление точнее, а освоение — проще».