Полный тетраплеги — это страшный диагноз. Он лишь немного лучше смертного приговора. Это состояние, часто вызванное тяжелой травмой спинного мозга или такими заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз (БАС), приводит к полной физической параличу ниже шеи. Пациенты становятся полностью зависимыми от других. Они теряют способность говорить или двигаться. Изоляция становится глубокой. Мы привыкли считать ходьбу из комнаты в комнату чем-то само собой разумеющимся. Для человека с полным тетраплегией это простое действие требует присутствия другого человека.
Представьте, что парализованный человек может управлять электромобильным креслом-коляской только с помощью своих мыслей. Это уже не научная фантастика. Это предполагает полное обход поврежденных нервов. Подобные технологии открывают путь к независимости. Они также обещают вернуть речь тем, кто ее потерял. Мы рассмотрим, как конкретная компания превращает этот «а что, если» в реальность.
Нейробиология движения
Каждое физическое действие начинается в вашем мозге. Нейроны генерируют крошечные электрические сигналы. Эти сигналы проходят по аксонам и дендритам. Они проходят через нервную систему. Когда они достигают нужной части тела, двигательные нейроны активируют мышцы. Действие происходит.
Почти каждый сигнал проходит через пучок нервов в спинном мозге. Если спинной мозг перерезан или сильно поврежден, связь разрывается. Сигналы не могут достичь своей цели. При нервно-мышечных заболеваниях двигательные нейроны дегенерируют. Мозг все еще отправляет команды. Тело не может перевести их в движение. Связь разорвана.
Решение этой проблемы требует перехвата сигналов до того, как они достигнут разрыва. Это основная логика, лежащая в основе кресел-колясок, управляемых мыслью.
Обходной путь Стивена Хокинга
Стивен Хокинг является известным примером. Этот физик болен БАС. Он практически полностью утратил контроль над мышцами. Однако он все еще может нажимать на кнопку правой рукой. Его кресло-коляска использует эту кнопку для работы. На экране отображаются иконки. Он выбирает их, синхронизируя нажатие кнопки с движением курсора над нужным вариантом.
Эта система управляет его креслом-коляской. Она открывает двери. Включает бытовые приборы. Она также генерирует речь. На экране отображается алфавит. Курсор перемещается по буквам. Он нажимает кнопку, чтобы выбрать каждую букву. Компьютер составляет предложение. Он отправляет текст в речевой синтезатор, встроенный в его кресло.
Способность Хокинга двигать одним пальцем выделяет его. Большинство людей с параличом вообще не могут взаимодействовать с системами управления. Они заперты внутри собственного тела без каких-либо способов вывода информации. Система Хокинга является обходным путем. Она работает благодаря его сохранившемуся контролю над конкретными мышцами.
Следующий шаг: прямое нейронное управление
Метод Хокинга впечатляет. Но это не окончательное решение. Он опирается на сохранность мышц пальцев. А что насчет человека, у которого не осталось контроля над мышцами? Он не может нажать на кнопку. Он не может пошевелить глазом.
Цель состоит в том, чтобы напрямую считывать намерения мозга. Это обходит поврежденный спинной мозг или дегенерировавшие нейроны. Это полностью пропускает разорванную связь. Устройство захватывает нейронный сигнал. Оно переводит его в команду. Кресло-коляска движется. Появляется курсор. Буквы выбираются.
Здесь технология расходится с системой Хокинга. Она не требует остаточной моторной функции. Она требует только функционирующего мозга. Аппаратное обеспечение находится на коже головы или внутри черепа. Оно улавливает электрический шум мысли. Оно фильтрует статический шум. Оно изолирует намерение.
Почему это сложнее, чем создание простого пульта дистанционного управления? Мозг хаотичен. Миллионы нейронов возбуждаются одновременно. Отделить конкретную команду от шума сложно. Алгоритмы должны изучить уникальные нейронные паттерны пользователя. Это занимает время. Оно требует обучения. Система адаптируется к мозгу пользователя, а не наоборот.
За пределами движения: восстановление голоса
Та же самая технология может восстановить речь. Система Хокинга генерирует речь из текста. Она медленная. Она механическая. Прямое нейронное декодирование может быть быстрее. Оно может захватить естественный ритм речи. В мозге есть области, предназначенные для вокализации. Эти области возбуждаются по определенным паттернам, когда мы говорим.
Декодируя эти паттерны, компьютер может синтезировать речь, которая звучит более естественно. Она может имитировать интонацию. Она может передавать эмоции. Для человека, потерявшего способность говорить, это освобождение. Это возвращает его голос. Это возвращает его связь с миром.
Барьером является не только аппаратное обеспечение. Это данные. Нам нужны большие наборы данных нейронной активности, сопоставленные с предполагаемой речью. Нам нужно с высокой точностью картировать языковые центры мозга. Именно здесь исследовательские лаборатории расширяют границы возможного. Они записывают активность тысяч нейронов одновременно. Они используют машинное обучение для декодирования сигналов.
Дорога впереди
Потенциал здесь огромен. Речь идет не только о креслах-колясках. Речь идет о самостоятельности. Речь идет о достоинстве. Каждая минута, которую человек проводит в зависимости от другого, — это минута утраченной автономии. Технология, восстанавливающая независимость, меняет эту динамику.
Но есть препятствия. Устройства дороги. Они требуют обслуживания. Они еще не являются «подключи и работай» [IMG:0]
Компания Ambient, стоящая за созданием системы Audeo, была основана Майклом Каллахэном и Томасом Коулманом. Их первоначальная цель была простой, но глубокой: дать голос людям с тяжелыми формами инвалидности. Однако они не остановились на этом. Они расширили возможности технологии, позволив пользователям управлять инвалидными колясками и взаимодействовать с компьютерами. В результате получилась система, которая обходит поврежденное тело и обращается непосредственно к намерениям мозга.
Наука о субвокальной речи
Вся концепция основана на специфической неврологической особенности. Когда вы думаете о том, чтобы заговорить, ваш мозг посылает сигналы в область горла. Это называется субвокальной речью. Вы делаете это постоянно. Подумайте о каком-либо слове, не произнося его вслух. Ваш мозг все равно посылает те же самые сигналы моторных нейронов. Обычно спинной мозг передает их в рот. У пользователей системы Audeo эта связь нарушена. Спинной мозг поврежден или мышцы горла не функционируют. Сигналы доходят до места, но остаются там. Не произнесенные. Запертые.
Audeo улавливает их.
Перехват сигнала
Аппаратное обеспечение обманчиво простое. Легкий приемник размещается на шее пользователя. Это массив датчиков, расположенных прямо у кадыка. Он работает подобно электроэнцефалографу (ЭЭГ), который считывает мозговые волны через кожу головы. Но Audeo действует более непосредственно. Поскольку он прикреплен к горлу, он улавливает специфические речевые электрические потенциалы. Крошечные изменения напряжения. Те самые, которые возникают, когда вы пытаетесь мысленно произнести «привет».
Эти датчики фиксируют активность. Они шифруют ее. Затем передают по беспроводной связи на компьютер. Компьютер не просто слышит шум. Он интерпретирует. Он знает закономерности. Он переводит немое намерение в действие.
От мысли к тексту и движению
Рассмотрим этот процесс в реальном времени. Вы хотите сказать: «Привет, как дела?» Вы представляете эту фразу. Ваш мозг посылает точно такие же сигналы, как если бы вы кричали их. Приемник Audeo улавливает их. Компьютер распознает специфические закономерности для этих слов и фонем. Он соединяет их воедино.
Он функционирует подобно программному обеспечению для распознавания голоса. Но в чем разница? Вы не издаете ни звука. Компьютер посылает финальный электронный сигнал на набор динамиков. Динамики озвучивают вашу немую мысль.
Управление работает аналогичным образом. Если вы хотите передвинуть инвалидную коляску, вы учитесь определенной субвокальной фразе. Вы думаете «вперед». Система Audeo интерпретирует этот сигнал не как слово для произнесения, а как команду на движение. Вы думаете «влево». Коляска поворачивает. Без необходимости использовать руки. Без движения губ. Только намерение.
Под капотом
Техническая основа полагается на оборудование компании National Instruments. В частности, на контроллер CompactRIO. Он собирает необработанные данные с тех датчиков на шее. Тяжелую работу выполняет встроенное программное обеспечение под названием LabVIEW. Оно обрабатывает данные. Преобразует электрические сигналы в пригодные для использования функции управления.
Компания Ambient значительно усовершенствовала аспект коммуникации. Ранние версии могли быть прерывистыми. Теперь пользователи могут создавать непрерывную речь. Это больше не борьба по одному слову за раз. Речь течет плавно. Система понимает контекст. Она понимает ритм.
Почему это имеет значение? Речь идет не только о комфорте. Речь идет о свободе действий. Для человека с поврежденным спинным мозгом мост между мыслью и действием часто разрушен. Audeo восстанавливает этот мост. Она использует те части нервной системы, которые все еще функционируют. Она превращает тишину в речь. Она превращает мысль в движение.
Технология точна. Применение дает свободу. Но интерфейс остается человеческим. Вам не нужно учить новый язык. Вам нужно просто думать. Остальное — это инженерия.
Ограничения все еще существуют. Системе требуется калибровка. Ей нужно питание. Ей нужен компьютер поблизости. Но для миллионов людей, потерявших голос или подвижность, эта сделка ничтожна. Сигнал ясен. Вывод немедленный.
А пользователи? Они просто разговаривают. Тихо. Сами с собой. С машиной.
Тишина космоса и цена доступа
NASA изучает не только звезды. Они наблюдают за вашей шеей.
Агентство разрабатывает систему, позволяющую астронавтам печатать или отдавать команды компьютерам беззвучно. Почему? Потому что в космосе шумно. Скачки в открытом космосе хаотичны. На Международной космической станции постоянно работают вентиляторы, насосы и механизмы. Стандартные системы распознавания голоса не справляются с этим шумом. Они слышат гул станции, а не команду.
Субвокальная речь решает эту проблему. Вы не произносите слово. Вы просто двигаете горлом так, как будто произносите его. Воздух не выходит. Звука нет. Для постороннего слушателя вы молчите. Для датчиков вы кричите.
Два небольших датчика размещаются на шее пользователя. Они фиксируют микроскопические движения мышц гортани и голосовых связок. Но система не работает по принципу «подключил и используй». Ей требуется обучение.
Вам нужно научить её распознавать именно вас.
На обучение программного обеспечения для распознавания шести–десяти слов уходит около часа. По состоянию на 2006 год лимит был жестким: 25 слов и 38 фонем. Этого едва хватает для базового разговора. Но точность? Высокая. Более 90 процентов.
На ранних испытаниях система управляла веб-браузером. Она открывала поисковую систему. Она печатала «NASA». При этом пользователь оставался полностью молчаливым.
«Вы можете говорить беззвучно по сотовому телефону».
В этом суть предложения. Это предназначено не только для космоса.
Рассмотрим области применения. Военные операции, где соблюдение тишины имеет решающее значение для жизни и смерти. Охранники, работающие в чувствительных зонах. Или просто разговор по сотовому телефону в библиотеке, не беспокоя окружающих. А для пользователей с ограниченными возможностями? Это может стать прорывом. Люди, которые не могут говорить, но сохраняют контроль над мышцами горла, смогут общаться самостоятельно.
Но вот загвоздка. Это дорого. Это сложно. И этого нет в вашем местном магазине электроники.
Компания Ambient, стоящая за некоторым из этого оборудования, не предоставила никаких цен. Не назвала сроков появления на рынке. Они даже не ответили на запросы информации. Поэтому, хотя технология работает, коммерческий путь остается туманным.
Доктор Чак Йоргенсен, главный научный сотрудник по нейроинженерии в Центре космических исследований NASA им. Эймса, дал прогноз в интервью изданию The Future of Things. Он заявил, что коммерческая субвокальная связь будет доступна через два–четыре года. Это было в 2006 году.
Мы уже прошли этот срок. Технология эволюционировала, но основная проблема остается: как преодолеть разрыв между намерением и действием, когда тело не подчиняется?
Что делать, если это не работает?
Не каждый может использовать субвокальное управление. У некоторых пациентов настолько тяжелый паралич, что даже мышцы горла не функционируют. Для них решение NASA бесполезно.
Что остается?
Если вы все еще можете двигать головой или плечами, существуют более старые, простые методы. Сдвиньте голову влево, чтобы повернуть кресло. Наклоните подбородок. Это грубо. Это требует физических усилий. Но это работает.
Затем идет дискуссия о трекинге глаз.
Традиционные системы управления взглядом капризны. Они часто принимают случайный взгляд за команду. Вы смотрите на чашку с кофе. Кресло поворачивает налево. Вы смотрите на дверь. Кресло ускоряется. Это раздражает.
Некоторые системы используют датчики, крепящиеся на очки. Они отслеживают движения щек. Поднимите щеку, чтобы «кликнуть» курсором. Это похоже на использование лица в качестве мыши. Это работает, но требует интенсивной дисциплины. Вы должны двигаться осознанно.
Затем есть компания Tobii Technology.
Шведский разработчик пошел другим путем. Они перестали ждать команд. Они начали наблюдать за тем, куда вы смотрите.
Вместо движущегося курсора, который вам нужно преследовать глазами, экран просто реагирует на ваш взгляд. Посмотрите на значок. Он активируется. Посмотрите на букву. Она выбирается. Это используется для общения. Это используется для игр. Это устраняет необходимость в дисциплинированном, целенаправленном движении. Вы просто смотрите.
Здесь меньше идет о том, чтобы командовать машиной, и больше о том, чтобы позволить машине понять вашу концентрацию.
Проверка реальностью
Мы постоянно слышим о «управляемых разумом» инвалидных колясках. Медиа любят этот термин. Он звучит как научная фантастика.
Но давайте уберем buzzwords (модные словечки).
Инвалидная коляска, управляемая разумом, использует интерфейс «мозг-компьютер» (BCI). Она считывает электрические сигналы из мозга. Преобразует их в команды. Для парализованных пользователей это не магия. Это восстановление. Это возвращение некоторой автономии.
«Интеллектуальная» инвалидная коляска? Это просто коляска с искусственным интеллектом. Она интерпретирует мысли. Она устраняет необходимость в использовании рук или физических усилиях.
А «автоматизированная» инвалидная коляска? Это просто инструмент для самостоятельного передвижения.
Разница между этими категориями размыта. И технология все еще находится в зачаточном состоянии.
Работа NASA в области субвокальной речи доказывает концепцию: мы можем считывать намерение только по напряжению мышц. Но коммерческая реальность messy (неупорядоченна/сложна). Ambient не ответила. Цены не были озвучены. Прогноз 2006 года давно ушел в прошлое.
Мы все еще ждем, когда аппаратное обеспечение догонит биологию.
Тем временем глаза продолжают смотреть. Горла продолжают двигаться. А машины продолжают пытаться услышать тишину.
Что произойдет, когда интерфейс наконец исчезнет? Когда вам не придется думать о курсоре, поднятии щеки или напряжении в горле?
Мы, возможно, просто перестанем это замечать.
