Исследователи из Сколтеха, Южно-Уральского государственного университета и других научных центров разработали устройство для записи мозговой активности, которое превосходит представленные на рынке аналоги за счёт компактности и низкой стоимости. Новый электроэнцефалограф обеспечивает высокое качество сигнала и гибко подстраивается под потребности пользователя. В числе перспективных областей применения — управление протезами «силой мысли» и предсказание эпилептических приступов. Результаты испытания прибора опубликованы в журнале Experimental Brain Research.
Инструменты для измерения мозговой активности нужны и учёным, и медикам, и работающим над футуристичными гаджетами инженерам. В науке такие устройства используются для исследования сна, памяти, внимания, механизмов принятия решений. В медицине активность мозга позволяет оценивать степень тяжести травмы головы или состояние пребывающего в коме пациента. Если говорить о более смелых киберпанковских фантазиях, то мозговые сигналы можно передавать в виде команд на любое имплантированное или внешнее устройство, как для компенсации утраченных функций (парализованный человек управляет рукой экзоскелета), так и для произвольных манипуляций с техникой: вызвать «Бэтмобиль», пообщаться с блютус-чайником.
Электроэнцефалограф изобрели около века назад. Он считывает электрическую активность мозга небольшими электродами, которые прикладываются к поверхности головы. Зарегистрированные таким образом сигналы и используются для исследований, медицинской диагностики или выбора персонажа в «Мортал-комбате». Проблема в том, что применяемые сейчас в больницах и лабораториях системы, как правило, громоздкие и/или дорогие. И всё равно качество сигнала не всегда удовлетворительно, поскольку количество электродов невелико. Любительские устройства стоят дешевле, но сигнал считывают ещё хуже.
Разработка коллектива учёных из компании «Брейнфлоу», ЮУрГУ и Университета штата Северная Каролина во главе с инженером Ильдаром Рахматулиным и профессором Михаилом Лебедевым из Сколтеха нацелена в первую очередь на любительский сегмент. Устройство можно собрать всего за 350 долларов, в то время как существующие аналоги стоят около 1 тыс. долларов и более. Новый энцефалограф оснащён 24 электродами, и при необходимости можно поставить больше. Главное — он обеспечивает высокое качество сигнала, на уровне лабораторного оборудования. Блок обработки информации имеет диаметр 5 миллиметров, то есть достаточно компактен, чтобы комфортно носить устройство в течение дня или во сне. Энцефалограф целиком весит 150 граммов.
Создатели устройства выложили в открытый доступ (GitHub) инструкции по сборке, сопутствующую документацию и софт. Учёные надеются, что это привлечёт больше энтузиастов в область интерфейсов «мозг — компьютер» и придаст импульс разработке систем для поддержки и реабилитации перенёсших инсульт пациентов, когнитивным исследованиям и развитию всевозможных «телекинетических» гаджетов, видеоигр без джойстика и т. п.
По словам Лебедева, «чем более удобными и дешёвыми будут становиться интерфейсы „мозг — компьютер“, тем больше шансов, что вокруг них сложится сообщество владельцев домашних лабораторий и часть завязанных на этих устройствах исследований переедет из больших университетских лабораторий в домашние любительские проекты».
«А люди с ограниченной подвижностью смогут применять самодельные интерфейсы, обучать программу на смартфоне и использовать такую систему, чтобы, скажем, электрически стимулировать бицепс и тем самым сгибать руку в локте, — продолжил учёный. — Ведь если контроль над мышцами руки был утрачен вследствие инсульта или травмы позвоночника, то мозг всё ещё в состоянии генерировать команды, просто у него нарушена коммуникация с рукой, и наш интерфейс может взять на себя роль посредника между ними».
По словам авторов исследования, интерфейсы «мозг — компьютер» могут также помочь пациентам с эпилепсией за счёт заблаговременной регистрации характерной мозговой активности, которая указывает на высокий риск наступления эпилептического приступа. Эта информация позволит пользователю подготовиться, уединившись и приняв комфортное положение лёжа; или подавить приступ при помощи электрической стимуляции.
Текст: Сколтех
Rakhmatulin, I., Parfenov, A., Traylor, Z. et al. Low-cost brain computer interface for everyday use. Exp Brain Res 239, 3573–3583 (2021). https://doi.org/10.1007/s00221-021-06231-4
