ИСТИНА

Стремительное развитие мультимедийных цифровых технологий и лавинное увеличение информационных потоков, наблюдаемые в последние десятилетия, становятся едва ли не самым значимым техногенным фактором внешней среды, негативно влияющим на нервно-психическое состояние человека, фактически приводящим к его ранней дезадаптации и к срывам профессиональной деятельности. В то же время, совершенно очевидно, что структурно-функциональные особенности мозга человека не могут эволюционировать со скоростью технологического прогресса и потому уже в самом ближайшем будущем перестанут соответствовать условиям техногенной среды. В этой связи становится актуальной проблема согласования природных возможностей мозга с психо-физическими нагрузками, создаваемыми современной техногенной средой. Одним из подходов к решению этой проблемы, является разработка интерфейсов между мозгом и компьютером, которые взяли бы на себя основную нагрузку в трансформации скоростных и мультизначных информационных потоков для экологически безопасной их подачи человеку, а так же, - в трансляции намерений человека напрямую от мозга к компьютеру. Настоящая работа будет выполняться в рамках последнего направления, называемого в настоящее время технологией интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) или мозг-машина (ИММ) с акцентом на реализацию этих технологий в сфере медицины. Целью этой работы будет исследование мозговых механизмов интерактивного взаимодействия мозг-компьютер для создания коммуникационных и реабилитационных комплексов в помощь пациентам после нейротравмы или инсульта в той или иной мере потерявшим речь и способность к движению. Результатами этой работы будет новое знание о информационно-аналитических механизмах мозга, и разработка на этой основе нейроинтерфейсов и нейротренажеров, способных обеспечить неврологических пациентов новыми возможностями в коммуникации и расширении сферы самообслуживания и, как следствие, - способствовать их скорейшему возвращению к социально значимой активности

The rapid development of multimedia digital technologies and the avalanche increase in information flows observed in recent decades are almost the most significant man-caused factor in the external environment, negatively affecting the person's mental state, which in fact leads to his early disadaptation and to disruptions in his professional activities. At the same time, it is quite obvious that the structural and functional features of the human brain can not evolve with the speed of technological progress and, therefore, in the very near future will cease to correspond to the conditions of the technogenic environment. In this connection, the problem of matching the natural capabilities of the brain with the psycho-physical stresses created by the modern technogenic environment becomes urgent. One of the approaches to solving this problem is the development of interfaces between the brain and the computer that would take the main load in the transformation of high-speed and multivalued information flows for environmentally safe delivery to humans, as well as in the translation of a person's intentions directly from the brain to computer. The present work will be carried out within the framework of the latest trend, currently called the brain-computer interface (IMC) or brain-machine interface (IMM), with an emphasis on the implementation of these technologies in the medical field. The aim of this work will be the study of the brain mechanisms of interactive brain-computer interaction to create communication and rehabilitation complexes to help patients after a neurotrauma or stroke, to some extent lost speech and ability to move. The results of this work will be a new knowledge of the information and analytical mechanisms of the brain, and the development on this basis of neurointerfaces and neurotransmitters able to provide neurological patients with new opportunities for communication and expansion of self-service and, as a consequence, to facilitate their early return to socially significant activity

На основании теоретического анализа будет разработаны регламенты экспериментальной процедуры для создания технологии интерфейсов мозг-компьютер с тактильными обратными связями. В экспериментальном тестировании будут выявлены основные характеристики и закономерности адаптации человека-оператора к работе в контуре интерфейсов мозг-компьютер с обратными связями на основе тактильной стимуляции.

В целой серии работ [2009-2019 гг. см . ниже] первого направления исследований коллективом лаборатории были изучены фундаментальные основы формирования откликов мозга на целевые символы в интерфейсах на основе волны П300, созданы алгоритмы анализа ЭЭГ с выделением информативных признаков намерений человека к выбору внешних объектов, в целом позволившие создать нейро-коммуникационный комплекс "Нейрочат" [Ганин И.П. и др., 2019], проходящий в настоящее время клинические испытания для помощи людям с серьезными поражениями двигательной и речевой функции. Можно полагать, и к тому есть первые авторские наблюдения [ Сыров и др., 2019; Ганин и др., 2019 ], что интенсивные и многократно воспроизводимые намерения человека к набору букв на экране могут приводить к пластическим перестройкам в заинтересованных областях коры больших полушарий с позитивными сдвигами в восстановлении речевой функции. В настоящее время планируется новое исследование в этом направлении. Отдельным направлением исследований является изучение закономерностей формирования мысленных представлений движения, многократные повторения которых («идеомоторная тренировка»), могут приводить к облегчению восстановления нарушенных моторных навыков и выработке новых [Каплан, 2016]. Авторским коллективом был выполнен комплекс работ [2009-2019 гг.] с целью исследования фундаментальных аспектов формирования моторных образов. С помощью метода транскраниальной магнитной стимуляции было выяснено, что ЭЭГ маркеры в виде депрессии мю-ритма не являются прямыми коррелятами изменения возбудимости нейронов моторной коры и потому обратная связь по этим маркерам не в полной мере выполняет свою функцию подкрепления наиболее интенсивных представлений движения. В настоящее время планируется исследование распределения кровотока в объеме мозга при представлении движения, чтобы исследовать возможность усиления реабилитационных эффектов.

В целом в рамках темы исследуются особенности формирования навыка представления движения под контролем управляемой от ЭЭГ нервно-мышечной электростимуляции с целью применения для восстановления движений. На первом этапе в исследовали эффективность обратной связи в виде функциональной нервно-мышечной стимуляции (ФЭС), вызывающей сгибание или разгибание пальцев руки, для выработки навыка представления соответствующих движений в контуре интерфейса мозг-компьютер (ИМК), в зависимости от степени сходства воображаемых и реальных движений. В исследовании участвовали 36 здоровых испытуемых-добровольцев. Было показано, что оба типа обратной связи, в виде вызываемого ФЭС конгруэнтного и неконгруэнтного движения, способствуют выработке навыка представления движения, но в большей мере это относится к неконгруэнтному подкреплению. На втором этапе работы в исследовании с участием 18 здоровых испытуемых-добровольцев изучалось влияние функциональной электростимуляции, вызывающей сгибание кисти, на кортикоспинальную возбудимость при представлении движений и в состоянии покоя. Было показано, что совместное действие функциональной электростимуляции и кинестетического представления движений приводит к увеличению амплитуд моторных ответов, вызванных одиночной транс-краниальной магнитной стимуляцией. При этом в состоянии двигательного покоя данного эффекта получено не было. Поскольку изменение кортикоспинальной возбудимости на корковом уровне может влиять на процессы пластической реорганизации, необходимые для восстановления двигательных функций после инсультов и иных нейротравм, результаты данной работы имеют прямой практический потенциал. В частности, обсуждается возможность создания эффективных тренажерных комплексов для восстановления двигательных функций на базе интерфейсов мозг-компьютер, основанных на представлении движений с функциональной электростимуляцией в качестве сенсомоторной обратной связи. Проведение реабилитации с использованием таких тренажерных комплексов поможет пролить свет на механизмы двигательного восстановления, в основе которых лежат явления нейропластичности, обусловленные изменением уровня возбудимости нейронов сенсомоторных областей коры. Также в работе обсуждается возможность создания эффективных тренажерных комплексов для восстановления двигательной функции после инсульта или нейротравм на основе гибридных комплексов ИМК-ФЭС. Еще одним разделом исследований в рамках темы был поиск новых применений технологии интерфейсов мозг-компьютер в медицине, в частности ИМК на волне П300. Были получены приоритетные результаты тестирования ИМК П300 для выявления симптоматики акцентуаций. В этой части применялась авторская разработка технологии ИМК-P300, позволяющая с помощью показателей электроэнцефалограммы (ЭЭГ), полученных при реакции на заданный заранее стимул, активировать соответствующую целевую команду. С помощью этого алгоритма можно выделить из окружающего контекста субъективно выделяющийся по эмоциональным характеристикам стимул даже без привлечения к нему активного внимания. Такие системы позволят оценивать значимость для человека определенной информации, что можно использовать при диагностике нарушений эмоционального восприятия или системы ценностей, например, при нарушениях пищевого поведения. Целью исследования было изучить ЭЭГ-реакции на предъявление стимулов различной эмоциональной значимости больным с диагнозом F50.0 «Нервная анорексия» (n = 12, возраст 11–16 лет) и проверить гипотезу о возможном детектировании фокуса внимания к субъективно значимым стимулам на основе ИМК-P300. Как показало исследование, предъявление в условиях пассивного внимания изображений частей тела истощенных людей на фоне прочих изображений вызывало более высокие амплитуды ПСС, чем при предъявлении изображений пищи. Алгоритм позволил также распознавать реакции внимания в ЭЭГ пользователя на оба типа изображений среди остальных стимулов, при этом точность распознавания для изображений частей тела была существенно выше (89% против 59%). Это доказывает возможность использования ИМК-Р300 для распознавания неявных эмоциональных фокусов внимания и дополняет существующие знания о механизмах развития нервной анорексии. Совершенно новым аспектом исследований в рамках настоящей темы было изучение возможности применения коммуникационной технологии на основе ИМК П300 для использования в реабилитационных тренажерах. В этой парадигме технология интерфейсов мозг-компьютер на основе компонента П300 (ИМК-П300), объединялась с исполнительным устройством, в качестве которого выступала искусственная кисть руки с подвижными пальцами, а зрительными стимулами были вспышки свето-диодов, расположенных на каждом пальце. Фокусирование внимания испытуемого на вспышках конкретного светодиода детектировалось по волне P300 и транслировалось к электрическому при- воду соответствующего пальца и приводило к его сгибанию. Проверялась гипотеза о том, что работа испытуемого в контуре ИМК-П300 с управлением приводами пальцев искусственной кисти руки приводит к повышению кортико-спинальной возбудимости, тестируемой методом транс-краниальной магнитной стимуляции. В тестировании с участием 43 испытуемых-добровольцев было показано, что кортико-спинальная возбудимость действительно повышается при управлении испытуемым пальцами искусственной кисти через ИМК-П300, и не меняется, если испытуемый просто наблюдает за независимыми от него движениями пальцев искусственной кисти, или работает в ИМК-П300 с панелью светодиодов, расположенной отдельно от кисти. Полученное в работе подтверждение гипотезы о повышении кортико-спинальной возбудимости при активной работе испытуемого в контуре ИМК-Р300 с управлением пальцами искусственной кисти позволяет рекомендовать этот комплекс в качестве тренажера двигательной функции в восстановительном периоде у пациентов после инсульта и нейротравм.