Загальна схема експерименту. Мозкові імпульси піддаються комп'ютерній обробці, і на їх основі генеруються сигнали, що керують рухом механічної руки. Власні руки мавпи зафіксовані в горизонтальних трубках. Мал. з обговорюваної статті в Nature
Дві мавпи з імплантованими в мозок електродами навчилися управляти механічною рукою, що має 5 ступенів свободи, однієї лише «силою думки». Успіх експерименту був забезпечений оригінальною методикою навчання, в ході якого контроль над штучною рукою поступово переходив від комп'ютерного «автопілота» до мавпі. При цьому «навчалося» не тільки тварина, але і програма, що інтерпретує мозкові імпульси і перетворює їх в руху механічної руки.
Розробка протезів, якими людина могла б керувати точно так же, як справжніми кінцівками, - за допомогою мозкових імпульсів - є одним із актуальних завдань медицини. Останнім часом в цій галузі досліджень спостерігається значний прогрес. І мавпи, і люди вже можуть подумки управляти рухом курсору на екрані комп'ютера (див. В комп'ютерну гру можна грати силою думки). Але керувати курсором набагато простіше, ніж користуватися таким складним пристроєм, як рука, в цьому тривимірному просторі.
Група американських нейробіологів, медиків і робототехников повідомила в останньому номері журналу Nature про сенсаційне результаті: їм вдалося навчити двох макаков резусів брати їжу і відправляти її в рот за допомогою механічної руки з «уявним» управлінням.
В експериментах використовувалася штучна рука, за своїми механічними характеристиками близька до справжньої. У неї п'ять ступенів свободи: вона може рухатися в плечовому суглобі вгору-вниз, вправо-вліво і обертатися навколо своєї осі (три ступені свободи), в ліктьовому суглобі вона може тільки згинатися-розгинатися (четверта ступінь свободи); крім того, вона забезпечена хапає «пензлем» у вигляді клешні, яка може стискатися і розтискати (п'ятий ступінь свободи). Всі рухи здійснюються за допомогою моторчиков з комп'ютерним управлінням.
Вчені вживили двом макакам по 96 електродів в ділянку первинної моторної кори (Primary motor cortex), керуючий рухами плеча та передпліччя. Ці електроди у двох мавп були трохи по-різному розподілені (подробиці див. В додаткових матеріалах до статті). Попадання електродів в ті чи інші конкретні точки кори було значною мірою випадковим, і вже у всякому разі ніхто не міг знати заздалегідь, які з електродів будуть сприймати мозкові команди, скажімо, про підйом руки, а які - про згинанні ліктя. Це треба було з'ясувати в ході подальших експериментів. Довгий курс навчання повинні були пройти не тільки мавпи, а й комп'ютерна програма, в завдання якої входила інтерпретація мозкових сигналів і перетворення їх в команди, що керують рухами механічної руки.
На початковому етапі мавп навчали управляти штучною рукою за допомогою джойстика з кнопкою (кнопка призначалася для відкривання і закривання клешні); крім того, мавпи просто дивилися на автоматичні руху руки, яка брала їжу з різних місць і підносила її до рота мавпи (відомо, що смачна їжа - чи не єдиний стимул, що спонукає мавпу в лабораторних умовах бути уважною і чомусь вчитися). Поки механічна рука рухалася, а мавпа на неї дивилася, комп'ютер реєстрував сигнали, що надходять від 96 електродів, і піддавав їх складної статистичної обробки. Сигнали від деяких датчик не корелювали з рухами руки, і ці датчики згодом не враховувалися. Для інших електродів комп'ютер визначав, які рухи штучної руки супроводжуються найбільш сильними нервовими імпульсами. Так були виявлені електроди (і відповідні точки мозку), які вибірково реагують на ті чи інші рухи (вгору-вниз, вперед-назад і вправо-вліво), а також на стискання і разжимание пальців. Відповідний «малюнок» збудження нейронів інтерпретувався як команда, що посилається мозком. Наприклад, якщо дані 10 датчиків реєстрували найбільш сильні сигнали при підйомі руки, то в подальшому, коли управління рукою передавали мавпі, сигнали від цих 10 датчиків комп'ютер перетворював в команду «підняти руку».
Після цього етапу попереднього навчання дослідники спробували відразу передати мавпам всю владу над механічною рукою, але нічого не вийшло: мавпи не впоралася з керуванням. Тоді довелося піти більш довгим шляхом поступової передачі контролю від «автопілота» мавпі. При цьому вчилася не тільки мавпа, а й комп'ютер: інтерпретація нервових імпульсів постійно уточнювалася і «підбудовувалася» до поточного стану мавпячого мозку. Як з'ясувалося, така підстроювання повинна здійснюватися щодня, тому що комп'ютерна інтерпретація мозкових сигналів, розрахована на основі вчорашніх експериментів, сьогодні може для тієї ж самої мавпи виявитися недостатньо точною. Крім того, імпульси, що генеруються мозком під час пасивного спостереження за автоматично рухається рукою, виявилися не зовсім ідентичними тим, що генеруються при безпосередньому «уявному» управлінні штучної кінцівкою.
Завдання, яке мавпа повинна була виконати за допомогою штучної руки, день у день була одна і та ж: потрібно було взяти їжу (пастилу або ягоду), яка з'являлася в різних місцях в межах досяжності, і піднести її до рота (а потім, зрозуміло, з'їсти, але це вже робилося без допомоги технічних засобів). Найважча частина завдання полягало в тому, щоб піднести розкриту клешню точно до їжі. Для цього потрібно було управляти рукою з точністю до декількох міліметрів, інакше їжу не вдасться схопити. Підносити їжу до рота можна було з меншою точністю, оскільки мавпа могла ворушити головою (її руки - справжні, а не штучні - були закріплені в спеціальних трубках).
Протягом декількох тижнів контроль над штучною рукою поступово передавався від «автопілота» мавпі. Допомога «автопілота», спрощено кажучи, полягала в тому, що мавпі було легше здійснювати «правильні» руху, ніж «неправильні» - штучна рука охочіше рухалася в потрібному напрямку, ніж в будь-якому іншому. Поступово ця допомога слабшала. З точки зору мавпи це означало, що завдання ставало все більш важким, так що їй доводилося щодня продовжувати вчитися, поступово удосконалюючи майстерність володіння штучною рукою.
По-друге, вчені провели додатковий досвід, в якому їжа була раптово пересунуто в той момент, коли мавпа вже піднесла до неї свою клешню. Якби мавпа тепер направила клешню до ласощів по прямій лінії, частування було б збито з підставки. Потрібно було перемістити кінцівку по дугового траєкторії, і мавпа відмінно з цим впоралася.
По-третє, в ході експериментів мавпи освоїли ряд нових рухів, яким їх ніхто не вчив. Наприклад, якщо під час піднесення їжі до рота ласощі падало, мавпа не продовжували рухати до рота порожню клешню, а зупиняли її в очікуванні наступної порції. Вони також навчилися робити колишній невеликі руху біля рота, щоб зручніше було її облизувати, і не тягнули руку до нової порції їжі до тих пір, поки не обліжут гарненько. Спочатку вони тримали клешню закритою протягом всього часу перенесення їжі до рота, але потім помітили, що пастила прилипає до клешні і зазвичай не падає, навіть якщо клешню розтиснути. Тоді вони стали розтискати клешню не у самого рота, а ще в дорозі.