Повний тетраплеги – це страшний діагноз. Він лише трохи кращий за смертний вирок. Цей стан, часто спричинений тяжкою травмою спинного мозку або такими захворюваннями, як бічний аміотрофічний склероз (БАС), призводить до повного фізичного паралічу нижче шиї. Пацієнти стають повністю залежними від інших. Вони втрачають здатність говорити чи рухатися. Ізоляція стає глибокою. Ми звикли вважати ходьбу з кімнати в кімнату чимось зрозумілим. Для людини з повним тетраплегією ця проста дія потребує присутності іншої людини.
Уявіть, що паралізована людина може керувати електромобільним кріслом-коляскою лише за допомогою своїх думок. Це не наукова фантастика. Це передбачає повний обхід пошкоджених нервів. Такі технології відкривають шлях до незалежності. Вони також обіцяють повернути промову тим, хто її втратив. Ми розглянемо, як конкретна компанія перетворює цей «а що якщо» на реальність.
Нейробіологія руху
Кожна фізична дія починається у вашому мозку. Нейрони генерують крихітні електричні сигнали. Ці сигнали проходять за аксонами та дендритами. Вони проходять через нервову систему. Коли досягають потрібної частини тіла, рухові нейрони активують м’язи. Дія відбувається.
Майже кожен сигнал проходить через пучок нервів у спинному мозку. Якщо спинний мозок перерізаний чи сильно пошкоджений, зв’язок розривається. Сигнали не можуть досягти своєї мети. При нервово-м’язових захворюваннях рухові нейрони дегенерують. Мозок все ще надсилає команди. Тіло не може перевести їх у рух. Зв’язок розірваний.
Вирішення цієї проблеми вимагає перехоплення сигналів до того, як вони досягнуть розриву. Це основна логіка, що лежить в основі крісел-візків, керованих думкою.
Обхідний шлях Стівена Хокінга
Стівен Хокінг є відомим прикладом. Цей фізик хворий на БАС. Він майже повністю втратив контроль над м’язами. Однак він все ще може натискати кнопку правою рукою. Його крісло-коляска використовує цю кнопку для роботи. На екрані з’являються іконки. Він вибирає їх, синхронізуючи натискання кнопки з рухом курсору над потрібним варіантом.
Ця система керує його кріслом-коляскою. Вона відчиняє двері. Включає в себе побутові прилади. Вона також генерує мову. На екрані з’являється алфавіт. Курсор рухається за літерами. Він натискає кнопку, щоб вибрати кожну букву. Комп’ютер складає пропозицію. Він відправляє текст у мовленнєвий синтезатор, вбудований у його крісло.
Здатність Хокінга рухати одним пальцем виділяє його. Більшість людей з паралічем взагалі не можуть взаємодіяти із системами управління. Вони замкнені всередині свого тіла без будь-яких способів виведення інформації. Система Хокінгу є обхідним шляхом. Вона працює завдяки його збереженню контролю над конкретними м’язами.
Наступний крок: пряме нейронне управління
Метод Хокінга вражає. Але це остаточне рішення. Він спирається на збереження м’язів пальців. А що щодо людини, у якої не залишилося контролю над м’язами? Він не може натиснути кнопку. Він не може поворухнути оком.
Ціль полягає в тому, щоб безпосередньо зчитувати наміри мозку. Це обходить пошкоджений спинний мозок або нейрони, що дегенерували. Це повністю пропускає розірваний зв’язок. Пристрій захоплює нейронний сигнал. Воно переводить його в команду. Крісло-коляска рухається. З’являється курсор. Літери вибираються.
Тут технологія розходиться із системою Хокінга. Вона потребує залишкової моторної функції. Вона потребує лише функціонуючого мозку. Апаратне забезпечення знаходиться на шкірі голови чи всередині черепа. Воно вловлює електричний шум думки. Воно відфільтровує статичний шум. Воно ізолює намір.
Чому це складніше, ніж створення простого пульта дистанційного керування? Мозок хаотичний. Мільйони нейронів збуджуються одночасно. Відокремити конкретну команду від шуму складно. Алгоритми мають вивчити унікальні нейронні патерни користувача. Це триває час. Воно потребує навчання. Система адаптується до мозку користувача, а чи не навпаки.
За межами руху: відновлення голосу
Та сама технологія може відновити мову. Система Хокінга генерує мову з тексту. Вона повільна. Вона механічна. Пряме нейронне декодування може бути швидшим. Воно може захопити природний мовний ритм. У мозку є сфери, призначені для вокалізації. Ці області порушуються за певними патернами, коли ми говоримо.
Декодуючи ці патерни, комп’ютер може синтезувати мову, яка звучить природніше. Вона може імітувати інтонацію. Вона може передавати емоції. Для людини, яка втратила здатність говорити, це визволення. Це повертає його голос. Це повертає його зв’язок зі світом.
Бар’єром є як апаратне забезпечення. Це дані. Нам потрібні великі набори даних нейронної активності, зіставлені з передбачуваною промовою. Нам потрібно з високою точністю картувати центри мозку. Саме тут дослідні лабораторії розширюють межі можливого. Вони записують активність тисяч нейронів одночасно. Вони використовують машинне навчання декодування сигналів.
Дорога попереду
Потенціал тут величезний. Йдеться не лише про крісла-візки. Йдеться про самостійність. Йдеться про гідність. Кожна хвилина, яку людина проводить залежно від іншого, – це хвилина втраченої автономії. Технологія, яка відновлює незалежність, змінює цю динаміку.
Але є перешкоди. Влаштування дороги. Вони потребують обслуговування. Вони ще не є «підключи та працюй» [IMG:0]
Компанія Ambient, що стоїть за створенням системи Audeo, була заснована Майклом Каллахеном та Томасом Коулманом. Їхня початкова мета була простою, але глибокою: дати голос людям з важкими формами інвалідності. Однак вони на цьому не зупинилися. Вони розширили можливості технології, дозволивши користувачам керувати інвалідними візками та взаємодіяти з комп’ютерами. В результаті вийшла система, яка оминає пошкоджене тіло і звертається безпосередньо до намірів мозку.
Наука про субвокальну мову
Вся концепція ґрунтується на специфічній неврологічній особливості. Коли ви думаєте про те, щоб заговорити, ваш мозок надсилає сигнали в область горла. Це називається “субвокальною промовою”. Ви робите це постійно. Подумайте про якесь слово, не вимовляючи його вголос. Ваш мозок все одно посилає ті самі сигнали моторних нейронів. Зазвичай спинний мозок передає в рот. У користувачів системи Audeo цей зв’язок порушено. Спинний мозок пошкоджено чи м’язи горла не функціонують. Сигнали сягають місця, але залишаються там. Чи не сказані. Замкнені.
Audeo вловлює їх.
Перехоплення сигналу
Апаратне забезпечення оманливо просте. Легкий приймач розміщується на шиї користувача. Це масив датчиків, розташованих прямо біля кадика. Він працює подібно до електроенцефалографа (ЕЕГ), який зчитує мозкові хвилі через шкіру голови. Але Audeo діє безпосередньо. Оскільки він прикріплений до горла, він уловлює специфічні мовні електричні потенціали. Крихітні зміни напруги. Ті самі, які виникають, коли ви намагаєтеся подумки вимовити привіт.
Ці датчики фіксують активність. Вони шифрують її. Потім передають бездротовий зв’язок на комп’ютер. Комп’ютер не просто чує шум. Він інтерпретує. Він знає закономірності. Він переводить німий намір у дію.
Від думки до тексту та руху
Розглянемо цей процес у реальному часі. Ви хочете сказати: “Привіт, як справи?” Ви уявляєте цю фразу. Ваш мозок посилає такі самі сигнали, як би ви кричали їх. Приймач Audeo вловлює їх. Комп’ютер розпізнає специфічні закономірності цих слів і фонем. Він поєднує їх воєдино.
Він функціонує подібно до програмного забезпечення для розпізнавання голосу. Але у чому різниця? Ви не видаєте жодного звуку. Комп’ютер надсилає фінальний електронний сигнал на набір динаміків. Динаміки озвучують вашу німу думку.
Управління працює аналогічно. Якщо ви хочете пересунути інвалідний візок, ви вчитеся певній субвокальній фразі. Ви думаєте “вперед”. Система Audeo інтерпретує цей сигнал не як слово для вимови, бо як команду на рух. Ви думаєте “вліво”. Візок повертає. Без потреби використовувати руки. Без руху губ. Лише намір.
Під капотом
Технічна основа покладається обладнання компанії National Instruments. Зокрема на контролер CompactRIO. Він збирає необроблені дані з тих датчиків на шиї. Тяжку роботу виконує вбудоване програмне забезпечення під назвою LabVIEW. Воно обробляє дані. Перетворює електричні сигнали на придатні для використання функції керування.
Компанія Ambient значно удосконалила аспект комунікації. Ранні версії були переривчастими. Тепер користувачі можуть створювати безперервне мовлення. Це більше не боротьба за одним словом за один раз. Мова тече плавно. Система розуміє контекст. Вона розуміє ритм.
Чому це має значення? Йдеться не лише про комфорт. Йдеться про свободу дій. Для людини з пошкодженим спинним мозком міст між думкою та дією часто зруйновано. Audeo відновлює цей міст. Вона використовує ті частини нервової системи, які досі функціонують. Вона перетворює тишу на промову. Вона перетворює думку на рух.
Технологія точна. Застосування дає волю. Але інтерфейс залишається людським. Вам не потрібно вивчати нову мову. Вам потрібно просто думати. Решта – це інженерія.
Обмеження досі існують. Системі потрібне калібрування. Їй потрібне харчування. Їй потрібний комп’ютер поблизу. Але для мільйонів людей, які втратили голос чи рухливість, ця угода незначна. Сигнал зрозумілий. Висновок негайний.
А користувачі? Вони просто розмовляють. Тихо. Самі із собою. З машиною.
Тиша космосу та ціна доступу
NASA вивчає не лише зірки. Вони спостерігають вашу шию.
Агентство розробляє систему, що дозволяє астронавтам друкувати чи віддавати команди комп’ютерам беззвучно. Чому? Тому що у космосі шумно. Стрибки у відкритому космосі хаотичні. На Міжнародній космічній станції постійно працюють вентилятори, насоси та механізми. Стандартні системи розпізнавання голосу не справляються із цим шумом. Вони чують гуркіт станції, а не команду.
Субвокальна промова вирішує цю проблему. Ви не промовляєте слово. Ви просто рухаєте горлом так, ніби вимовляєте його. Повітря не виходить. Звуку немає. Для стороннього слухача ви мовчите. Для датчиків ви кричите.
Два невеликі датчики розміщуються на шиї користувача. Вони фіксують мікроскопічні рухи м’язів гортані та голосових зв’язок. Але система не працює за принципом «підключи та використовуй». Їй потрібне навчання.
Вам потрібно навчити її розпізнавати саме вас.
На навчання програмного забезпечення для розпізнавання шести-десяти слів йде близько години. Станом на 2006 рік ліміт був жорстким: 25 слів та 38 фонем. Цього ледве вистачає для базової розмови. Але точність? Висока. Понад 90 відсотків.
На ранніх випробуваннях система управляла веб-браузером. Вона відкривала пошукову систему. Вона друкувала NASA. Користувач залишався повністю мовчазним.
«Ви можете говорити беззвучно стільниковим телефоном».
У цьому є суть пропозиції. Це не тільки для космосу.
Розглянемо сфери застосування. Військові операції, де дотримання тиші має вирішальне значення для життя та смерті. Охоронці, які працюють у чутливих зонах. Або просто розмова стільниковим телефоном у бібліотеці, не турбуючи оточуючих. А для користувачів із обмеженими можливостями? Це може стати проривом. Люди, які не можуть говорити, але зберігають контроль над м’язами горла, зможуть спілкуватись самостійно.
Але ось загвоздка. Це дорого. Це складно. І це немає у вашому місцевому магазині електроніки.
Компанія Ambient, яка стоїть за деяким із цього обладнання, не надала жодних цін. Чи не назвала термінів появи на ринку. Вони навіть не відповіли на запити інформації. Тому хоча технологія працює, комерційний шлях залишається туманним.
Доктор Чак Йоргенсен, головний науковий співробітник нейроінженерії в Центрі космічних досліджень NASA ім. Еймса, дав прогноз в інтерв’ю виданню The Future of Things. Він заявив, що комерційний субвокальний зв’язок буде доступний через два-чотири роки. Це було 2006 року.
Ми вже минули цей термін. Технологія еволюціонувала, але основна проблема залишається: як подолати розрив між наміром та дією, коли тіло не підкоряється?
Що робити, якщо це не працює?
Не кожен може використати субвокальне керування. У деяких пацієнтів настільки тяжкий параліч, що навіть м’язи горла не функціонують. Для них рішення NASA марне.
Що лишається?
Якщо ви все ще можете рухати головою або плечима, існують старіші, простіші методи. Посуньте голову вліво, щоб повернути крісло. Нахиліть підборіддя. Це брутально. Це потребує фізичних зусиль. Але це працює.
Потім йде дискусія про трекінгу очей.
Традиційні системи управління поглядом примхливості. Вони часто сприймають випадковий погляд за команду. Ви дивитеся на чашку з кавою. Крісло повертає ліворуч. Ви дивитеся на двері. Крісло пришвидшується. Це дратує.
Деякі системи використовують датчики, що кріпляться на окуляри. Вони відстежують рухи щік. Підніміть щоку, щоб “клікнути” курсором. Це схоже на використання обличчя як миша. Це працює, але потребує інтенсивної дисципліни. Ви повинні рухатися свідомо.
Потім є компанія Tobii Technology.
Шведський розробник пішов іншим шляхом. Вони перестали чекати на команди. Вони почали спостерігати, куди ви дивитеся.
Замість курсора, який вам потрібно переслідувати очима, екран просто реагує на ваш погляд. Подивіться на значок. Він активується. Подивіться на літеру. Вона вибирається. Це використовується для спілкування. Це використовується для ігор. Це усуває необхідність дисциплінованому, цілеспрямованому русі. Ви просто дивіться.
Тут менше йдеться про те, щоб командувати машиною, і більше про те, щоб дозволити машині зрозуміти вашу концентрацію.
Перевірка реальністю
Ми постійно чуємо про «керованих розумом» інвалідних візків. Медіа люблять цей термін. Він звучить як наукова фантастика.
Але давайте приберемо buzzwords (модні слівця).
Інвалідний візок, керований розумом, використовує інтерфейс «мозок-комп’ютер» (BCI). Вона зчитує електричні сигнали із мозку. Перетворює їх у команди. Для паралізованих користувачів це магія. Це відновлення. Це — повернення деякої автономії.
«Інтелектуальний» інвалідний візок? Це просто коляска зі штучним інтелектом. Вона інтерпретує думки. Вона усуває необхідність використання рук або фізичних зусиль.
А «автоматизований» інвалідний візок? Це просто інструмент для самостійного пересування.
Різниця між цими категоріями розмита. І технологія все ще перебуває у зародковому стані.
Робота NASA у сфері субвокальної промови доводить концепцію: ми можемо зчитувати намір лише з напрузі м’язів. Але комерційна реальність messy (неупорядкована/складна). Ambient не відповіла. Ціни не були озвучені. Прогноз 2006 року давно відійшов у минуле.
Ми все ще чекаємо, коли апаратне забезпечення наздожене біологію.
Тим часом очі продовжують дивитись. Горла продовжують рухатися. А машини продовжують намагатись почути тишу.
Що станеться, коли нарешті зникне інтерфейс? Коли вам не доведеться думати про курсор, підняття щоки чи напругу в горлі?
Ми, можливо, просто припинимо це помічати.
