Математики Института проблем машиноведения РАН и Санкт-Петербургского государственного университета создали алгоритм неинвазивного управления инвалидной коляской по нейронным сигналам головного мозга. О разработке доложил руководитель работ Александр Фрадков наVI Международной конференции по нейронным сетям и нейротехнологиям (NeuroNT'2025) в ЛЭТИ.

Кибернетическая нейробиология — это новая научная область, объединяющая методы вычислительной нейробиологии и кибернетики для изучения процессов управления в нервной системе и мозге. Она исследует математические модели нейронных ансамблей, применяя подходы теории управления, такие как синтез обратных связей, оценивание параметров и классификация состояний головного мозга по сигналам электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Ученые Института проблем машиноведения РАН являются одними из лидеров нового направления науки. Они сформулировали суть нового направления и стали одними из первых, кто систематически занимается его развитием. Современные разработки в области нейротехнологий открывают новые горизонты в управлении оборудованием с помощью нейроинтерфейсов, включая роботов, инвалидные коляски и роботизированные протезы, а также значительно улучшают диагностику нервных заболеваний и патологических состояний мозга. Кроме того, применение математических моделей нейронных ансамблей и отдельных регионов коры головного мозга позволяет глубже понять принципы работы мозга, что способствует развитию новых методов лечения и реабилитации.

Ученые ИПМаш РАН ведут работы в данном направлении в последние годы совместно с СПбГУ. Так, они построили обучающиеся сетевые версии моделей Фитц Хью-Нагумо и Хиндмарша-Роуза для улучшения качества моделирования работы человеческого мозга.

“Мы не стоим на месте и сейчас, вместе со студентами мы разработали роботизированную инвалидную коляску, которая управляется сигналами мозга напрямую. Благодаря созданным алгоритмам она точно улавливает когда человек хочет двигаться вправо, а когда влево”, — сказал главный научный сотрудник лаборатории управления сложными системами ИПМаш РАН, профессор Санкт-Петербургского государственного университета Александр Фрадков.

Коляска реагирует на намерения пользователя, распознавая сигналы мозга через электроэнцефалографию (ЭЭГ). Специальные алгоритмы машинного обучения анализируют активность мозга, выделяя паттерны, соответствующие командам «вперед», «налево», «направо» и «стоп». Для повышения точности используются адаптивные методы, такие как модифицированный алгоритм Якубовича–Брэгмана и «неявная полоска», которые эффективно разделяют сигналы даже при ограниченном объеме данных.

Основу системы составляет многоэтапная обработка сигналов мозга. Сначала ЭЭГ-данные очищаются от шумов с помощью полосовых фильтров, выделяя ключевые частотные диапазоны (например, альфа- и бета-ритмы). Затем алгоритмы машинного обучения анализируют паттерны активности мозга, сопоставляя их с конкретными намерениями пользователя.

Для повышения точности система использует адаптацию: параметры модели нейронных ансамблей непрерывно уточняются под индивидуальные особенности пользователя. Финальный этап — преобразование распознанных команд в сигналы для электроприводов коляски, обеспечивая плавное и точное движение. Таким образом, софт действует как «переводчик» между мозгом и механикой, соединяя нейробиологию, кибернетику и робототехнику.

Преимущества такой системы — в ее неинвазивности и персонализации. В отличие от традиционных интерфейсов, требующих имплантации электродов напрямую в мозг, в данном случае применяются внешние датчики ЭЭГ. Алгоритмы самонастраиваются под индивидуальные особенности мозга пользователя, что ускоряет обучение и повышает точность управления.

Кроме того, технология позволяет адаптировать систему под новые типы команд, расширяя ее функционал. В перспективе подобные разработки могут быть использованы не только для реабилитации, но и для управления другими устройствами — от умного дома до экзоскелетов, открывая новые возможности для людей с ограниченной подвижностью.

Кроме того, Александр Фрадков рассказывал о разработке на 6th International Conference Neurotechnologies and Neurointerfaces и 11th International Conference on Physics and Control.