Ученые из США, Швейцарии и Испании научили глубокую нейросеть точнее управлять зрительным имплантом, который устанавливают в кору головного мозга. В клиническом эксперименте с участием 27-летнего незрячего мужчины алгоритм подобрал схемы электростимуляции, вызывающие нужную активность нейронов при меньшей силе тока, а также точнее предсказал, какие световые образы увидит пациент. Результаты работы опубликовал журнал Neuron.
Большинство экспериментальных систем искусственного зрения воздействуют на сетчатку или зрительный нерв, однако такие устройства не подходят людям с тяжелым повреждением зрительных путей – например, после инсульта, черепно-мозговой травмы или при нейродегенеративных болезнях. Корковые протезы обходят глаз и подают электрические сигналы напрямую в зрительную кору в затылочной доле мозга. Когда электроды стимулируют эту область, человек видит фосфены – световые точки, вспышки и простые фигуры.
Добиться от таких имплантов стабильного изображения до сих пор не удавалось: одинаковые разряды тока вызывают разный отклик нейронов в зависимости от состояния мозга. По словам соавтора исследования, доцента Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Майкла Бейелера, инженеры привыкли считать фосфены аналогом пикселей на экране, но мозг работает иначе: электроды влияют друг на друга, а нейронные отклики постоянно колеблются.
Алгоритм испытали в 2024 году в испанской больнице IMED в Эльче в рамках более широкого клинического исследования. Участником эксперимента стал 27-летний мужчина, потерявший зрение из-за черепно-мозговой травмы. В его зрительную кору на шесть месяцев временно вживили матрицу из 96 электродов. Имплант мог не только подавать электрические импульсы, но и одновременно считывать ответную активность нейронов.
Исследователи обучили глубокую нейросеть предсказывать реакцию коры на разные комбинации импульсов, учитывая фоновую активность мозга непосредственно перед стимуляцией. Алгоритм подобрал параметры тока, которые точнее контрольных методов запускали целевые паттерны в мозге и требовали меньше энергии. Затем ученые сопоставили записи нейронной активности с отчетами пациента о форме, размере, яркости и цвете увиденных вспышек. Выяснилось, что сигналы самого мозга содержат больше информации о зрительных ощущениях человека, чем параметры тока, поданного на электроды.
Авторы работы заключили, что будущие системы бионического зрения не должны работать по фиксированной схеме. «Полезный зрительный протез не может опираться на жесткий шаблон, – отметил Бейелер. – Устройство должно изучить реакции конкретного мозга и подстраивать стимуляцию под них, а не заставлять человека привыкать к сигналам». Хотя пациент различал только вспышки и простые очертания, ученые рассчитывают, что такой адаптивный подход поможет разработать протезы, которые вернут людям полезное зрение. Проект объединил специалистов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Университета Мигеля Эрнандеса и опирается на компьютерные разработки Бейелера, которые финансирует Национальный институт здравоохранения США по пятилетнему гранту на два миллиона долларов, выделенному в 2022 году.
