Исследователи российской ГК «Нейроботикс» («Нейроассистивные технологии») и Лаборатории нейроробототехники МФТИ научились воссоздавать по электрической активности мозга изображения, которые человек видит в данный момент. Это позволяет создавать новый тип устройств для постинсультной реабилитации, управляемых сигналами мозга. Препринт работы доступен на bioRxiv.

Для развития методов лечения когнитивных нарушений, постинсультной реабилитации и создания устройств, управляемых мозгом, необходимо понять то, как мозг кодирует информацию. Ключевая задача для понимания принципов его работы — исследование активности мозга, возникающей при визуальном восприятии информации. Все существующие решения в области распознавания изображений по сигналам мозга используют функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) или анализ сигнала, получаемого непосредственно с нейронов. Особенности этих методов ограничивают их применение в клинической практике и повседневной жизни. Интерфейс «мозг — компьютер», созданный командой ученых из МФТИ и «Нейроботикс», напротив, использует электроэнцефалограмму (далее ЭЭГ), снимаемую с поверхности головы, и нейросети. Эта разработка с помощью ЭЭГ в режиме реального времени реконструирует кадры из видео, которое смотрит человек.

Владимир Конышев, руководитель лаборатории нейроробототехники МФТИ, поясняет: «Работа ведется в рамках проекта “Ассистивные технологии” НейроНет НТИ, в котором ключевую роль играет интерфейс “мозг — компьютер”, используемый для управления экзоскелетом руки при реабилитации после инсультов, а также для управления электроколяской парализованными людьми. Конечная цель работы — увеличить точность нейроуправления при его использовании не только пациентами, но и здоровыми людьми».

Эксперимент состоял из двух частей. В первой части исследователи произвольно выбрали пять разных категорий роликов с YouTube: «абстракции», «водопады», «лица людей», «скорость» — видеосъемку от первого лица гонок на снегоходах, водных мотоциклах, ралли — и «движущиеся механизмы», которые показывали испытуемым, записывая при этом ЭЭГ. Ролики длились по 10 секунд, в сумме вся сессия записей у каждого испытуемого составляла 20 минут.

В этой части эксперимента ученым удалось доказать, что частотные характеристики волновой активности (спектры) ЭЭГ для разных категорий видеороликов достоверно различаются. Это позволило анализировать реакцию мозга на видеоролики в режиме реального времени.

Для второй части эксперимента были произвольно выбраны три категории из вышеперечисленных видео. Специалисты разработали две нейросети, одна из которых генерировала произвольные изображения этих же категорий из «шума», а вторая — создавала похожий «шум» из ЭЭГ. Затем авторы работы обучили эти нейросети работать совместно так, чтобы по записанному сигналу ЭЭГ создавались кадры, похожие на те, которые видели люди в момент записи.

Инфографика. Алгоритм работы интерфейса «мозг — компьютер». Источник: А. Бобе, дизайн — @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ

Для проверки испытуемым показали совершенно новые видео тех же категорий, снимая при этом ЭЭГ и в реальном времени отправляя ее на нейросети. Нейросети хорошо справились и с этой задачей: создавали реалистичные кадры, по которым в 90% случаев можно было определить категорию видео.

Видео с результатами эксперимента выложены в свободный доступ.

«Энцефалограмма — следовой сигнал от работы нервных клеток, снимаемый с поверхности головы. Раньше считалось, что исследовать процессы в мозге по ЭЭГ — это все равно, что пытаться узнать устройство двигателя паровоза по его дыму, — говорит Григорий Рашков, один из авторов работы, младший научный сотрудник МФТИ и программист-математик компании «Нейроботикс». — Мы не предполагали, что в ней содержится достаточно информации, чтобы хотя бы частично реконструировать изображение, которое видит человек. Однако оказалось, что такая реконструкция возможна и демонстрирует хорошие результаты. Более того, на ее основе даже можно создать работающий в реальном времени интерфейс “мозг — компьютер”. Это очень обнадеживает. Сейчас создание инвазивных нейроинтерфейсов, о которых говорит Илон Маск, упирается в сложность хирургической операции и то, что через несколько месяцев из-за окисления и естественных процессов они выходят из строя. Мы надеемся, что в будущем сможем сделать более доступные нейроинтерфейсы, не требующие имплантации».

Для справки: проект «Ассистивные нейротехнологии» при поддержке NeuroNet НТИ был начат в 2017 году, направлен на разработку комплекса устройств для реабилитации больных после инсульта и нейротравм головы. Проект включает разработку комплекса устройств — это нейрогарнитура NeuroPlay, нейротренажер, ФЭС, ТЭС, Когниграф, Робоком и другие.

Лаборатория нейророботехники МФТИ образована в 2017 г. в рамках Программы 5-100. Основное направление деятельности — разработка антропоморфной робототехники, а также оборудования для научных исследований в области нейронаук, физиологии и поведения.

Команда проекта: Владимир Конышев (заведующий лабораторией нейроробототехники МФТИ), Анатолий Бобе (инженер 1-й категории лаборатории нейроробототехники МФТИ, руководитель отдела машинного обучения), Григорий Рашков (младший научный сотрудник лаборатории прикладных кибернетических систем МФТИ, программист-математик «Нейроботикс»), Дмитрий Фастовец (инженер 2-й категории лаборатории волновых процессов и систем управления МФТИ), Мария Комарова (инженер 2-й категории лаборатории волновых процессов и систем управления).