Краткая история нейроинтерфейсов

История нейроинтерфейсов очень короткая, ей всего 100 лет. В 1924 году немецкий психиатр Ханс Бергер впервые зафиксировал активность человеческого мозга, разместив электроды на поверхности головы. Началась эпоха электроэнцефалографии (ЭЭГ). Интерпретируя ЭЭГ выявляют сосудистые нарушения, воспалительные процессы, опухоли в головном мозге, нарушения в спинном мозге, природу травм конечностей и другие неприятности у человека, а также у других живых существ, в первую очередь близким по биофизике к теплокровным животным. 

Первым нейроинтерфейсом считают устройство Stimoceiver. В 1965 году его изобрел испанский ученый Хосе Дельгадо, он проверял его работу на мозге быка. Устройство представляло собой чип размером с монету. Учёный мог управлять устройством по FM-радиоканалу. Дельгадо выступил в качестве тореадора на корриде — и с помощью кнопки на пульте управления изменил направление движения быка.

На мозге человека нейроинтерфейс впервые был протестирован в 1998 году. Филипп Кеннеди вживил устройство в мозг полностью парализованного художника и музыканта Джонни Рэя. Во время эксперимента тот должен был представлять, как двигаются его руки. Импульсы из мозга через нейроинтерфейс передавались на компьютер и двигали курсор мышки. Так у Рэя появилась возможность общаться с внешним миром.

Практическое использование

За 100 лет сформировались 7 основных направления практического применения интерфейсов:

1. Диагностика различных нарушений и травм в мозговой деятельности, в первую очередь психических (напомним, российские ум, честь и совесть способны существовать только в среде головного мозга индивидуума);

2. Реабилитация больных пациентов и домашних животных;

3. Образование юношества и тренинг работников ответственных профессий;

4. Творческое стимулирование артистов и вообще людей креативных профессий;

5. Управление экзоскелетами и протезами;

6. Контроль за дронами, роботами, гаджетами и другими устройствами силой мысли;

7. Научные инновации в области искусственного интеллекта и виртуальной реальности.

Три типа интерфейсов

Неинвазивные функционируют на основе ЭЭГ. Электроды прикрепляют к поверхности головы, и они считывают изменения электрического поля в нервных клетках. Такие нейроинтерфейсы просты, безопасны, однако менее достоверны, чем инвазивные. Череп и кожный покров хоть и пропускают сигнал, но всё же искажают его. Разновидностью являются специальные линзы на глаза для считывания электронных данных, причём на них может выводиться дополнительная визуальная информация как в кабинах боевой авиации или продвинутого автотранспорта.

Недоинвазивные/Малоинвазивные интерфейсы располагаются на поверхности мозга. Например, к ним относятся кохлеарные имплантаты (они применяются для восстановления слуха). Такие интерфейсы считаются более точными, чем неинвазивные, и менее опасными, чем инвазивные.

Инвазивные вживляются в глубокие слои мозга путём хирургической операции. Такие интерфейсы помогают добиваться большей точности при получении информации. Однако они связаны с рисками для здоровья: воспалением, отмиранием нейронов, эпилепсией.

Актуальные научно-технические направления в РФ

В России активно проводятся образовательные и совещательные программы в рамках разнообразных конференций, симпозиумом, бесплатных и умеренно платных лекций и семинаров. Так, в мае 2024 г. в ВШЭ на базе Центра биоэлектрических интерфейсов и Института когнитивных нейронаук состоялась Весенняя Международная школа «Нейроинтерфейсы нового поколения: методики двунаправленного взаимодействия с нервной тканью в реальном времени». 

Научные исследования и разработки по нейроинтерфейсам в нашей стране осуществляет порядка 100 юридических и физических лиц. Их можно сгруппировать следующим образом:

• ряд институтов РАН (Институт биофизики клетки, Пущинский научный центр биологических исследований, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, Институт физиологии им. И.П. Павлова, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии и пр.); 

• медицинские учреждения, в т. ч. Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского (МОНИКИ), Московский научно-практический центр медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины Департамента здравоохранения города Москвы, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, Сеченовский Университет;

• вузы (МГУ, ВШЭ, Московский Институт Электронной Техники, Южный Федеральный Университет, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, Дальневосточный Федеральный Университет и др.);

• отраслевые научные центры, например Научно-исследовательский институт экономики и организации управления в газовой промышленности;

• инновационные малые предприятия, в частности томские ООО «Крэйн Брэйн» и ООО «НейроМех», московсие ООО «Лаборатория знаний», ООО «Аурум-лайт» и ООО «Нейри», ООО «Вербатория нейрометрия способностей» (Красногорск), ООО «3Д Инновации» (Санкт-Петербург), ООО «НейроИТ» (Ростов-на-Дону);

• индивидуальные изобретатели (Авдеев Артем Сергеевич, Кравченко Сергей Владимирович, Лезин Александр Андреевич и ещё десяток-другой).

Патентный аспект в РФ

В базе ФИПС по термину «нейроинтерфейс» числится всего 13 патентов РФ, причем все они действующие, выданные в 2016-2024 гг.

Таблица 1: Действующие патенты на изобретения РФ по тематике нейроинтерфейса

Полезных моделей в РФ и топологий интегральных схем с нейроинтерфейсом НЕТ!

База данных всего одна: 2019620139 «База данных паттернов кисти для управления мехатронной рукой» от ООО «НейроМех» (Томск).

Программ для ЭВМ зато 30 штук.

Таблица 2: Программы для ЭВМ в РФ по тематике нейроинтерфейса

Безусловным лидером по патентом является ООО «Лаборатория знаний». По программам для ЭВМ выделяется ООО «НейроМех». Вузы также стараются защищать свои разработки, но количественно проигрывают данным фирмам. 

Мировые патенты

У англоязычных специалистов принято использовать термин brain-computer interface. По этому термину Google.patents выдаёт более 100 000 патентов. Топ-5 патентовладельцев такой:

1. Pure Storage, Inc. — 9,9%;

2. The Regents Of The University Of California — 1,4%;

3. Hi Llc — 1,3%;

4. Google Llc — 1,2%;

5. Medibotics Llc — 1,1%.

Как видите, безусловным лидером является калифорнийская Pure Storage. Примечательно, что компания основана в 2009 году, то есть она добилась лидерства по патентам в этой сфере за 15 лет! 

Тематику отражает рейтинг:

• обработка цифровых данных с помощью электрических устройств G06F – 52%;

• диагностика; хирургия; опознание личности A61B – 41%;

• медицинские устройства или процедуры G16H – 20%;

• передача цифровой информации H04L – 16%;

• компьютерные системы, основанные на специфических вычислительных моделях G06N – 15%.

Заключение

Несмотря на большую популярность и экспоненциальный рост исследований по проблеме нейроинтерфейсов, их потенциальная эффективность пока не реализована. В исследованиях и разработках существует ряд проблем, например адекватного выбора мозговых сигналов, используемых для контроля интерфейсов мозг-компьютер. Дело в том, что для разных систем организма существуют свои резонансные частоты, играющие координирующую роль в настройке организма на оптимальное функционирование. Конкретные параметры эндогенных ритмов значительно варьируют от индивида к индивиду, но демонстрируют высокую стабильность у каждого данного человека.

Перспективными тенденциями современных исследований является сочетание разных вариантов технологии нейроинтерфейсов или одновременного использования разных эндогенных ритмов. Такие мультимодальные, полисенсорные или гибридные нейроинтерфейсы позволяют применять комплексную обратную связь от эндогенных ритмических процессов персонажа и дополнительно задействовать интегративные и адаптационные механизмы деятельности функционирования центральной нервной системы. 

Наш анализ патентов показывает, что технологии нейроинтерфейсов уже играют заметную роль в арсенале нелекарственных средств оптимизации функционального состояния и когнитивной реабилитации человека. Особое место в данной линии разработок принадлежит нейроинтерфейсам, использующим эндогенные ритмы биоэлектрической активности мозга, сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Следующий этап — управление роботами, дронами, гаджетами и прочим железом силой мысли — но это только-только исследуется и патентов на эту тему очень мало.

Мы будем следить за развитием событий.

Бесплатный поиск, мониторинг и регистрация товарных знаков  и других объектов интеллектуальной собственности.

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале