Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) — изобретение не новое: соответствующие разработки начались еще в 1970-х годах в Калифорнийском университете. НКИ представляет собой систему, позволяющую головному мозгу человека обмениваться информацией с компьютером. Такие системы могут передавать информацию либо в одну сторону (мозг — компьютер или компьютер — мозг), либо обмениваться с человеком данными в обоих направлениях.
Подобные системы играют огромную роль в повышении качества жизни людей, страдающих различными заболеваниями: они могут имитировать сетчатку глаза и восстанавливать зрение при помощи электронного имплантата, давать парализованному человеку возможность управлять курсором на экране компьютера, набирать текст при помощи взгляда или даже контролировать действия имитирующего ту или иную конечность робота.
Если нейрокомпьютерный интерфейс соединить, например, с очками дополненной реальности, то человек сможет взглядом управлять освещением в комнате, переключать каналы телевизора и даже связываться с врачом.
НКИ может быть инвазивным — в этом случае в мозг пациента вживляется микрочип, который воспринимает электрические сигналы, испускаемые нейронами мозга во время передачи информации, а также неинвазивным. В этом случае на голове человека закрепляются электроэнцефалографические электроды, которые фиксируют вызванные потенциалы — электрическую реакцию мозга на внешние раздражители. Эти сигналы передаются компьютерному интерфейсу, который действует в соответствии с полученными командами.
Одной из способностей нейрокомпьютерного интерфейса является передача мозгу визуальной информации. Благодаря этому человек может печатать при помощи взгляда — правда, не очень быстро. Один из наиболее известных неинвазивных интерфейсов такого типа — он называется Р300 speller —
позволяет своему владельцу набирать пять символов в минуту, скорость передачи информации при этом составляет около 0,5 бит в секунду. Если для выполнения той же задачи используется НКИ инвазивного типа, процесс происходит немного быстрее — скорость передачи данных возрастает до 1,7–2,4 бит в секунду.
Журнал Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовал статью группы китайских и американских исследователей, возглавляемой Сяоганом Чэнем из Университета Цинхуа.
Ученые сумели разработать неинвазивный нейрокомпьютерный интерфейс, позволяющий человеку печатать взглядом со скоростью от 50 до 60 символов в минуту.
В экспериментах приняли участие 18 человек в возрасте от 22 до 29 лет, средний возраст испытуемого составил 25 лет. Оборудование для опыта представляло собой специальный экран, разделенный на 40 клеток. В них были написаны 26 букв английского алфавита, 10 цифр от нуля до девяти, а еще четыре клетки были отведены под знаки препинания, пробел и клавишу backspace, которая позволяет стирать ошибочно введенную букву. Каждая клетка экрана испускала мерцание на определенной частоте, издавая таким образом присущий только ей сигнал.
В ходе первого опыта людей учили работать с интерфейсом, указывая, на какой букве следует сфокусировать взгляд, при этом компьютер испускал звуковой сигнал, когда ему удавалось «понять», куда смотрит испытуемый.
Второй эксперимент предназначался для того, чтобы человек при помощи взгляда напечатал фразу «High speed BCI» («Высокоскоростной НКИ»), при этом людям на это давалось три попытки. Каждый человек переводил взгляд с одной буквы на другую, задерживаясь на каждом символе в течение 0,5–1 секунды. Мерцание, испускаемое каждой клеткой, заставляло головной мозг по-разному реагировать на буквы. Закрепленные на голове участников эксперимента электроэнцефалографические электроды считывали электрический сигнал мозга и передавали его на интерфейс. Когда компьютер «понимал», на какую букву смотрит человек, он издавал световой сигнал и печатал символ на экране.
Скорость набора текста существенно
превысила все предыдущие достижения нейрокомпьютерных интерфейсов, составив 50 символов в минуту (средняя скорость передачи информации — 4,45 бит в секунду) в первом эксперименте и 60 символов в минуту во втором (средняя скорость передачи данных — 4,50 бит в секунду). В целом минимальная скорость передачи данных составила 3,33, а максимальная — 5,25 бит в секунду.
Авторы исследования акцентируют внимание на том, что количество ошибок, допущенных испытуемыми, было совсем незначительно: в 91% случаев опечаток не было вовсе. Одиннадцать человек сумели все три раза напечатать требуемое словосочетание без единой ошибки, а вот один испытуемый опечатался семь раз — после каждой ошибки он успешно пользовался клавишей backspace и стирал последний символ.
Ученые утверждают, что созданный ими нейрокомпьютерный интерфейс — удобный в использовании и позволяющий печатать около 12 слов в минуту — будет полезен для многих людей, страдающих от паралича или сопровождающихся им болезней.
Статья, описывающая принцип работы нового интерфейса, была опубликована в журнале PNAS 20 октября. Вечером того же дня сразу несколько изданий опубликовали краткие новостные заметки, в которых говорилось, что китайские ученые создали
первое в мире устройство, «способное переводить мысли человека в слова» и «распознавать сигналы головного мозга и интерпретировать их в звуки». Говорилось также о создании «прибора, который умеет распознавать те буквы и слова, о которых мы думаем в то время, когда мы говорим вслух или про себя»,
а также «устройства, которое наделено свойством извлечения звуков речи в тот момент, когда идет смена электрической активности головного мозга человека». Помимо этого, все издания единогласно утверждали, что автор изобретения — профессор Сяоган Чень из Университета Тсиньхуа.
В действительности изобретение исследовательской группы Сяогана Чэня — не первое в мире устройство такого рода. Разработка нейрокомпьютерных интерфейсов началась еще в 1970-х годах, и в настоящее время они активно используются пораженными различными недугами людьми.
Синтезаторы речи — устройства, переводящие образы или печатный текст в звуки, — также уже изобретены: все, кто интересуется выступлениями физика-теоретика Стивена Хокинга, страдающего от бокового амиотрофического склероза, могли слышать, как этот прибор работает.
А вот описанный китайскими учеными интерфейс печатает текст, а не озвучивает его — так же, как и его более медленный предшественник Р300 speller. Распознает он не «буквы и слова, о которых мы думаем», а воспринимает реакцию мозга на мерцание отдельных участков специального монитора — читать человеческие мысли ни один прибор, к сожалению или к счастью, пока не способен.
Кроме того, Университета Тсиньхуа в Китае не существует, а вот название пекинского Университета Цинхуа дословно переводится как «благородный» или «изящный» университет.