Пойми меня, если сможешь
Пульс идет волной от сердца вдоль сосудов: миокард сжимается, сердечные клапаны перекрывают путь обратно, и насыщенная кислородом кровь мощным толчком выбрасывается в дугу аорты, принимающую на себя основной удар. Ослабленная пульсовая волна разносится от сердца по упругим стенкам артерий и артериол, растягивая их. Когда мы напряженно работаем и мышцы, сокращаясь, пережигают кислород и углеводы, сердце работает в полную силу, разгоняя кровь до предела. На пике физической нагрузки сердце ежесекундно перекачивает по поллитра крови. Мы слышим, как пульс стучит в висках: сосуды в теле содрогаются от ударных волн такой силы, что их слышно даже во внутреннем ухе. Кровеносные сосуды в нашем теле прочные и эластичные, но постепенно они изнашиваются и истончаются. Иногда стенка сосуда не выдерживает ударной волны и лопается: кровь толчками изливается из сосуда, наполняя ткани вокруг места разрыва.
Обычно такой инцидент заканчивается небольшой гематомой, рассасывающейся за несколько дней; прореха в сосуде тоже затягивается, и все возвращается на круги своя. Но так происходит не всегда – если артерия проходит через ткань мозга, даже крохотный разрыв может обернуться катастрофой. В норме ткани мозга надежно изолированы от кровеносного русла гематоэнцефалическим барьером: все необходимые мозгу вещества поступают в мозг через сомкнутый слой глиальных клеток, не пропускающих ничего, что может повредить нежную нервную ткань. Разрыв сосуда в мозге оборачивается гибелью нейронов в месте повреждения; погибшие нервные клетки становятся очагом инсульта.
Один из самых опасных инсультов затрагивает ствол головного мозга, связывающий мозг с остальным телом. Если пациента удается спасти, он остается полностью парализованным; когда паралич затрагивает черепные нервы, пациент не может даже разговаривать. Коварство инсульта в области ствола состоит в том, что психическая жизнь остается незадетой – просто сигналы от мозга не могут пройти через очаг инсульта, и разум оказывается заперт в теле, которым теперь не может управлять.
Четверть века назад паралич в результате инсульта становился для пациентов окончательным приговором, обрекая их на одно из самых страшных заключений – жизнь взаперти тела, которым мозг не может управлять. Современные технологии дают таким пациентам надежду: сотни исследовательских групп по всему миру ищут способы расшифровать электрическую активность мозга, и передавать команды на электронные устройства, заменяющие парализованным людям некоторые функции тела.
Интерфейсы мозг-компьютер (Brain Computer Interface, BCI) — горячая тема в современных нейронауках. Они помогают парализованным людям не только двигаться, но и общаться. На прошлой неделе в New England Journal of Medicine вышла свежая статья: пациент, которого парализовало 15 лет назад из-за обширного инсульта в области ствола головного мозга, учится говорить с помощью BCI, а алгоритмы машинного обучения учатся распознавать его речь и выводят слова на экран.
Пока между учащимися нет полного взаимопонимания, только частичное. Алгоритм выдает немало ошибок (25%), но это уже хоть что-то: исследователи говорят, что им впервые удалось расшифровать в речи целые слова по электрическим сигналам от моторной коры больших полушарий. До этого большинство исследователей пытались расшифровывать речь побуквенно, используя совсем другой принцип расшифровки: например, анализировали вызванные потенциалы с коры, пока пациент наблюдает за подсвечивающимися на экране буквами.
В этот раз ученые наложили поверхностные электроды прямо на моторную кору в левом полушарии, где располагаются речевые центры, чтобы получить четкие сигналы, пригодные для расшифровки речи. Когда мы произносим слова, моторная кора управляет мышцами речевого аппарата, порождающего отдельные звуки речи в нужном порядке. Задача была нетривиальная: научить алгоритм анализировать электрическую активность с коры и распознавать отдельные слова. Исследователи отобрали пятьдесят базовых слов английского языка, из которых можно собирать простые предложения. Слово выводили на экран, и пациент старался его произнести, а компьютерный алгоритм анализировал сигналы с поверхности коры, обучаясь распознавать характерный паттерн для каждого из 50 слов. Тренировки заняли 22 часа.
Работая в реальном времени, алгоритм очень точно распознавал, когда испытуемый предпринимал попытку произнести слово (92%), правда, угадать, какое именно слово имелось в виду, получалось совсем не так точно (39,5% безошибочных угадываний). Правда, алгоритм полагался не только на отдельные слова, но и на то, насколько осмысленным выглядел набор слов, и корректировал выбор, когда получалась белиберда. В итоге после корректировок алгоритм мог расшифровать речь пациента со скоростью 15 слов в минуту и примерно 75%-ной точностью.
В офлайне, когда ограничений по времени не было, алгоритм пропустил 2% попыток произнести слово (правда, примерно в одном из 10 случаев ошибочно принимал за речь «бессловесные» фрагменты мозговой активности), и в 47% случаев угадал, какое именно было слово.
Вот короткое видео, рассказывающее об исследовании (тут не записан звук из лаборатории – но в другом видео из статьи слышно, как пациент пытается «промычать» то или иное слово, и мне кое-где на слух понятно, насколько «мимо» угадывает алгоритм)