Есть контакт: нейроэлектронная дружба машины и человека

Оценивать успехи компьютерной техники можно под разным углом. Чаще все это делают в контексте вычислительных мощностей (вспомните, какими медленными были компьютеры ещё двадцать лет назад!), иногда — по качеству устройств отображения информации (индустрия PC вот-вот перейдёт к дисплеям с разрешением 4K — 3840 точек по горизонтали!), по численности цифровых устройств на руках у потребителей. Но есть и такая редкая оценка, как качество компьютерных интерфейсов. Несколько упрощая, здесь можно выделить три этапа. Первые тридцать лет — с середины XX века до 80-х годов — на рынке доминировали клавиатура и неуклюжее «световое перо». В следующие тридцать — с 80-х до второго десятилетия века XXI — акцент сместился на мышь (изобретатель которой, Дуглас Энгельбарт, удостоенный всех мыслимых наград, скончался этим летом). Сегодня мы переживаем переход к сенсорному — «тач»! — интерфейсу, ещё более упростившему и ускорившему контакт человека с машиной. Но вот что интересно: есть основания полагать, что текущий этап не растянется на привычные тридцать лет. Вместо этого, в считанные годы, мы совершим прыжок к интерфейсу совершенно нового уровня, который изменит мир цифровой техники радикально, до неузнаваемости. Интерфейс «четвёртого поколения» позволит подключить головной мозг пользователя напрямую к машине — и это обеспечит невиданный скачок скорости и функционала. Скажете, фантастика? Не спешите!

Прежде всего давайте определимся с названием. Вариантов предложено множество. Тут и «мозговой интерфейс», и «человеко-машинный», и «прямой нейронный», и «нейрокомпьютерный». Наиболее удачным лично мне кажется термин, употребляемый в некоторых западных лабораториях: нейроэлектронный интерфейс (НЭИ). Пусть это не стопроцентно точное определение — ведь не всегда речь идёт о подключении именно к нейронам головного мозга, часто достаточно контакта с нервной системой человека — зато ясно даёт понять, что ничего лишнего между живой тканью и вычислительной машиной нет. А вся совокупность работ над НЭИ укладывается в два русла. Первое — это прямое электрическое подключение компьютера к мозгу человека, не USB-штекером, конечно, а вживляемыми электродами. Второе — контакт, не требующий операций, неинвазивный: измерение и изменение электрической активности мозга электродами, укреплёнными на внешней стороне черепной коробки. У каждого подхода свои плюсы и минусы, свои сферы применений и свои перспективы. И каждый заслуживает подробного рассмотрения.

На электрическом ходу

Историю нейроэлектронного интерфейса можно проследить вплоть до середины XIX века и работ в том числе наших соотечественников (И.М.Сеченова и др.). Однако отправной точкой принято считать 20-е годы прошлого века, когда немецкий невролог Ганс Бергер сумел измерить электрическую активность головного мозга человека. Мозг генерирует электрическое напряжение и, внедряя электроды под кожу головы, Бергер сумел его измерить. Он же установил и два важных факта: во-первых, напряжение это чрезвычайно слабое (измеряется в десятитысячных долях вольта, поэтому требуются особо чувствительные приборы), и во-вторых, оно меняется со временем. Так родилась электроэнцефалография (ЭЭГ) — остающаяся самым популярным методом исследования головного мозга и по сей день.

Есть какой-то грустный символизм в том, что Бергер покончил с собой из-за хронической депрессии — болезни, которую сегодня пробуют лечить методами, восходящими к его же работам. Но так или иначе, следующие полвека учёные потратили на глубокое зондирование человеческого мозга. Здесь тоже заметный вклад внесли советские специалисты, в частности, Н.П.Бехтерева, работавшая помимо прочего над задачей вживления электродов. А собственно первое упоминание термина brain-computer interface (в буквальном переводе с английского «интерфейс человек-компьютер») произошло в 70-х годах прошлого века, когда сразу несколько научных коллективов, экспериментируя с обезьянами, показали, что можно измерить и расшифровать электрические импульсы, генерируемые так называемым двигательным участком коры головного мозга. Лучше того, оказалось, что в обмен на угощение, подопытные макаки способны менять генерируемые импульсы. В результате уже в 90-х годах, подключенные к компьютеру, обезьяны «силой воли» управляли объектами на компьютерном экране и электромеханическими устройствами, вроде руки-манипулятора.

Не стало дело и за подключением к компьютеру человеческого мозга. В 1998 году американец Джонни Рэй стал первым из людей, электрически связаным с вычислительной машиной. Почти полностью парализованный после инсульта (подвижность сохранили только глаза и некоторые лицевые мышцы), Рэй согласился на вживление электродов в область коры, «отвечающую» за его левую руку. Компьютер преобразовывал мозговые импульсы в команды, управляющие курсором, однако, авторы эксперимента конечно же не знали, как именно будут выглядеть импульсы Рэя. Поэтому потребовалось обучение. Подопытный натурально учился управлять новой «частью тела»: он представлял, что двигает рукой, компьютер считывал мозговую активность и перемещал курсор, Рэй оценивал результат и вносил мысленную поправку, пытаясь добиться правильной реакции курсора, и всё повторялось снова и снова. Через несколько месяцев он уверенно управлял курсором, а спустя год мог вести беседу, мысленно выбирая буквы из нарисованного на экране алфавита.

В этом эксперименте — который, к сожалению, продлился недолго (Джонни Рэй скончался в начале нулевых от естественных причин) — проявилось, пожалуй, самое ценное свойство головного мозга: нейропластичность. Структура мозга не остаётся постоянной, она непрерывно меняется, что, к примеру, помогает ему восстанавливаться после повреждений (тех же инсультов). Именно благодаря нейропластичности подключенное к мозгу внешнее устройство (например, обычная IBM PC на процессоре Pentium, как в случае с Рэем) постепенно становится словно бы частью организма: человек учится управлять ею, как собственным телом. Это дарит надежду миллионам людей, частично или полностью утративших естественные функции: однажды и они, словно Джонни Рэй, смогут управлять электронными устройствами словно недостающими частями тела. Что там, уже сегодня на рынке доступны нейроэлектронные «протезы», частично возвращающие зрение, слух, подвижность.

К сожалению, имплантация электродов в головной мозг остаётся процедурой весьма проблематичной. Прежде всего, любые манипуляции внутри черепной коробки сопряжены с понятным риском для здоровья человека: одно неосторожное движение — и пациент останется инвалидом, а может быть и погибнет. Далее, даже если вживление электродов прошло без проблем, место контакта начинает обрастать рубцовой ткань — что затрудняет долгосрочную эксплуатацию соединения. Наконец, количество электродов, которые удаётся таким образом «воткнуть» в мозг, очень ограничено (а, значит, ограничено и количество сигналов, которые таким образом можно извлечь): в среднем, наука и медицина довольствуются сегодня десятками электродов, работающими несколько лет. К решению этих проблем исследователи подбираются с разных направлений и хоть пока говорить о победе рано, имеются обнадёживающие результаты. В частности, когда эта статья готовилась к печати, Калифорнийский университет в Беркли сообщил о разработке так называемой нейропыли: крохотных (десятки микрометров в поперечнике) беспроводных сенсоров, которые наносятся на нужный участок мозга и подчиняются ультразвуковому контроллеру, спрятанному там же, под черепной коробкой (а он уже в радиодиапазоне обменивается данными с передатчиком, установленным на коже головы). Нейропыль, теоретически, позволяет устранить проблему рубцевания и малого числа контактов, однако, по-прежнему требует хирургического вмешательства.

Вот почему когда только возможно исследователи стараются обойтись подключением электронных устройств не напрямую к головному мозгу, а к нервной системе. Здесь дальше всех продвинулись специалисты Агентства перспективных исследований (DARPA) при Министерстве обороны США. Минувшей весной они продемонстрировали разработанную ими технологию RE-NET (аббревиатура, раскрываемая как Надёжная Нейроинтерфейсная Технология), при помощи которой возвращают подвижность солдатам, изувеченным на войне. RE-NET предполагает вживление электродов в нервы и мускулы культи (что дешевле, проще, чревато меньшими неприятности для здоровья в случае, если что-то пойдёт не так) и подключение их к электромеханическому протезу. В ходе демонстрации подопытные проявляют настоящие чудеса ловкости: хватают предметы на лету, манипулируют небольшими объектами, действуют наощупь и т.п. Всё это стало возможным не только благодаря гибкости НЭИ (через нервную систему человек одновременно генерирует десятки управляющих сигналов), но и благодаря тому, что нейроэлектронное соединение в данном случае двунаправленное. Выдаваемые нервами электрические импульсы передаются на двигатели протеза, а электрические сигналы с сенсоров, установленных на протезе (к примеру, на его «пальцах»), транслируются обратно, в нервную систему человека. И если Джонни Рэй учился управлять курсором ничего не чувствуя, полагаясь только на зрение, то подопытные DARPA свои протезы по-настоящему чувствуют, что положительно сказывается и на возможностях их применения, и на скорости обучения. В ближайшем будущем DARPA обещает поставить RE-NET на коммерческие рельсы, сделав технологию доступной для гражданских лиц и массового рынка.

В голову без головной боли!

На самом деле инвазивный нейроэлектронный интерфейс — так ещё иногда называют соединение человека с машиной, требующее прямого электрического контакта — уже используется в бизнесе (посмотрите, к примеру, на продукты компании Cyberkinetics/BrainGate). Вот только сопровождающие его сложность и опасности сильно ограничивают диапазон применений. Фактически инвазивный НЭИ сегодня применяется только в медицине — для коррекции зрения, слуха, речи, неврологических отклонений и физических недостатков — и всегда требует клинических испытаний, одобрения регуляторами, преодоления прочих подобных препятствий. А что если отказаться от вживления электродов в человеческое тело? Например, считывать электрические импульсы с поверхности головы? Этому посвящено второе направление в индустрии нейроэлектронных интерфейсов: неинвазивное. И именно оно имеет наибольшие шансы породить по-настоящему массовые технологии. Не нужно сверлить дыру в черепе, не нужно подключать ничего к нейронам и нервам, достаточно надеть на голову лёгкий, красивый шлем!

Основой тут служит всё та же старая добрая ЭЭГ. Подопытный цепляет к коже головы дюжину датчиков-сенсоров, каждый из которых измеряет электрический потенциал в конкретной точке (относительно одной общей, скажем, мочки уха), после чего совокупность сигналов обрабатывается компьютером. Ведь теоретически, напряжение в произвольной точке коры головного мозга можно измерить и по эту сторону черепной коробки. Так что, укрепив сенсоры, скажем, на макушке, мы получим картину работы участков мозга, отвечающих за двигательные функции, на затылке — за зрение, на лбу — за мыслительные процессы. Казалось бы, остаётся их только дешифровать.

К сожалению, не всё так просто. Отказавшись от хирургического вмешательства мы теряем прямую обратную связь и сильно теряем в точности. Но если обратную электрическую связь можно компенсировать визуальной (так же, как Рэй, подавая «мысленные приказы» курсору, оценивал результат глазами), с точностью хуже. «Пробиваясь» через кости черепа и кожу головы, электрические импульсы мозга слабеют и «размазываются». Так что хоть возможность управления компьютерным курсором с помощью неинвазивного НЭИ исследователи продемонстрировали ещё двадцать лет назад, только в последние годы удалось более-менее компенсировать потерю точности.

Идея в следующем: нужно ориентироваться не на отдельные импульсы (как в случае с инвазивными НЭИ, когда есть возможность измерять сигналы небольших групп нейронов), а на изменение формы электрических колебаний головного мозга, типичных мозговых ритмов. Компьютер запоминает такие изменения и, поймав впоследствии одно из них, выполняет назначенное для него действие. В простейшем случае это может быть сопоставление так называемых альфа- и бета-ритмов. В расслабленном состоянии мозг человека в затылочной части формирует электрические колебания с частотой около 10 Гц — это альфа-ритм. Если же мы переходим к состоянию активного бодрствования, доминирующим оказывается бета-ритм — колебания с частотой около 25 Гц в лобных долях. Таким образом, переключаясь между расслабленностью и концентрацией, человек может выдавать наблюдающему за ним компьютеру минимум две команды.

Оценить, как далеко продвинулись исследователи, работающие над неинвазивными НЭИ, можно по демонстрации, устроенной этим летом группой американского профессора Бина Хи (Bin He). Пользователь, на голове которого была укреплена шапочка с 64 электродами, после недолгого обучения успешно осуществлял мысленное управление игрушечным вертолётом, носившимися по спортзалу с расставленными по нему препятствиями.

Строго говоря, на пути неинвазивных НЭИ к прилавку были и остаются ещё несколько помех, вроде необходимости обеспечить плотный электрический контакт электродов (или электромагнитных сенсоров) с кожей головы. Однако, в сравнении с избавлением от хирургического вмешательства, всё это мелочи, на которые можно закрыть глаза. В результате последние пять лет стали чрезвычайно урожайными на стартапы, возделывающие ниву «цифрового телекинеза». Типичный пример — австралийская Emotiv Systems, предлагающая «мыслешлем» EPOC. Дизайнеры потрудились на славу: человек в таком шлеме уже не выглядит подопытной обезьяной, закутанной в провода — больше того, шлем даже придаёт пользователю ощутимое футуристичное очарование.

Технически, EPOC это 14 сенсоров, снятые которыми показания передаются через Bluetooth-канал на персоналку, где подвергаются обработке и дешифровке специальным программным обеспечением. Далее, они могут быть переданы, например, в компьютерную игру — где аватар будет менять выражение лица вслед за мимикой игрока, где условия игры могут меняться в зависимости от эмоционального состояния игрока, где перемещения предметов могут осуществляться буквально силой мысли. Пока такие фокусы возможны лишь в простых играх, написанных специально под EPOC. Но с мыслешлемом можно играть и в популярные компьютерные игры — правда, после предварительной настройки: ведь необходимо объяснить компьютеру, какое движение мышью или кнопку на клавиатуре обозначает та или иная мысленная команда.

В том же направлении трудится и другой крупный игрок НЭИ-индустрии, американская компания NeuroSky. Она продаёт самый дешёвый «мыслешлем» MindWave (99 долл.), а разработанная ею микроэлектронная начинка используется многими более мелкими вендорами в своих продуктах. Скажем, PLX Devices построила на чипах NeuroSky серию спортивных гаджетов XWave Sports, которые сопрягаются с мобильными устройствами. Вообще, «мобильная» тема в неинвазивных НЭИ сейчас привлекает многих — как производителей, так и энтузиастов: пишутся программные интерфейсы, прорабатываются идеи мысленного управления смартфонами и планшетками.

Простота, безвредность неинвазивных НЭИ позволила охватить даже самую юную категорию потребителей. В конце нулевых известный производитель детских игрушек Mattel выпустил Mindflex — настольную игру для всех возрастов, начиная с младшего школьного (и, кстати, на чипах уже знакомой вам NeuroSky). Здесь, переключаясь между альфа- и бета-ритмами, один или два игрока управляют парящим в потоке воздуха шариком (расслабляешься — шарик опускается, концентрируешься — поднимается). Считается, что Mindflex стала самым продаваемым продуктом, реализующим НЭИ.

Воспоминания о будущем

Не закрыт для неинвазивного НЭИ и «серьёзный» медицинский сегмент. К примеру, НЭИ-гарнитура, производимая австрийской компанией g.tec/intendiX, ориентирована на людей, страдающих параличом: с её помощью, после недолгого обучения, пользователи усилием воли могут набирать текст со скоростью десятков символов в минуту, рисовать, играть в компьютерные игры. А продукты компаний Interaxon (профинансированный краудфундингом Muse) и Interactive Productline нацелены на общую оценку психофизического состояния пользователя: с их помощью компьютер или смартфон могут судить о том, насколько расслаблен или сконцентрирован человек, спит он или бодрствует, мечтает или ведёт разговор и т.д. и т.п. Подобная информация полезна для медитативных тренировок, но и для тренировки внимания, и даже в настоящем спорте, где (есть данные позволяющие это утверждать) мысленная концентрация на процессе улучшает результат.

Лучше того, неинвазивные НЭИ можно попробовать дополнить обратной электрической связью. Делается это просто: на некоторые датчики, укреплённые на голове пользователя, подаётся слабое электрическое напряжение. Коммерческие продукты с таким функционалом выпускаются, к примеру, компаниями Neuroelectrics и Mind Alive — с той лишь разницей, что первая ориентируется на профессионалов-врачей, а вторая на энтузиастов, желающих экспериментировать дома. Что даёт электростимуляция мозга? Есть свидетельства, что с её помощью можно вылечить или облегчить течение многих психических болезней (включая депрессию, бессонницу), а ещё — улучшить память, ускорить процесс обучения и усвоения новых знаний.

К сожалению, тут мы пересекаем опасную черту. К настоящему моменту не зафиксировано вреда от прямой транскраниальной стимуляции, но это не гарантирует, что побочные эффекты не всплывут в будущем. Обоснованные опасения вызывает и подверженность НЭИ-продуктов даже слабым электромагнитным полям: микроволновка, автомобиль, штатное медицинское и производственное оборудование могут стать (и уже становились) причиной сбоев в работе инвазивных и неинвазивных НЭИ. Вот почему в развитых странах всё больше сторонников идеи классифицировать все нейроэлектронные устройства как медицинские — а, следовательно, подвергнуть их соответствующей обязательной сертификации, регулировать продажи и т.п.

Вместе с тем, чрезмерная осторожность некоторых исследователей не должна помешать вам оценить поистине безграничный потенциал НЭИ. Между лабораторными опытами и прилавком в нейроэлектронике зияет пропасть, перекинуть через которую мостики сейчас пытаются всё ещё немногочисленные стартапы. При этом НЭИ — отнюдь не ядерная физика; проблемы, встающие здесь перед предпринимателями, чаще всего приземлённые. Скажем, сейчас главный тормоз на пути НЭИ-гарнитур на рынок компьютерных игр — недостаточно быстрая реакция компьютера на мысленные сигналы (вот почему EPOC не в силах пока заменить мышь и клавиатуру в аркадах и шутерах, где важна скорость).

А перспективы... Перспективы рисуются совершенно фантастические. Не претендуя на охват всех возможных применений нейроэлектронного интерфейса в будущем, позвольте остановиться на двух, наиболее реальных. Это передача мысли на расстояния и... бессмертие.

НЕИ в тех формах, в каких мы его знаем сегодня, предлагает передачу только отдельных управляющих импульсов — грубо говоря, скачков электрического напряжения. А возможно ли передать через нейроэлектронное соединение мысль? Знающему читателю идея может показаться смешной, ведь многие исследователи пока не готовы согласиться даже с электрической природой сознания. Но, как говорится, если теория противоречит фактам, тем хуже для теории. 28 февраля сего года рупор научной мысли, журнал Nature, опубликовал отчёт американо-бразильского коллектива учёных, поставивших следующий замечательный эксперимент. В головной мозг двух белых крыс, в одинаковых местах, была вживлена матрица электродов. Сигналы из мозга первой, назовём её крысой А, после обработки цифровым устройством (фактически обычным персональным компьютером), транслировались по цифровому каналу (фактически через Интернет) в мозг крысы Б.

Собственно эксперимент сводился к решению простой логической задачки. Крысу А ставили перед двумя идентичными кормушками, содержимое которых ей было не видно, но давали подсказку: над кормушкой, в которой есть корм, загоралась лампочка. После того, как А научалась делать правильный выбор, к опыту подключали её напарницу. Одновременно с А, крыса Б оказывалась перед идентичными кормушками и должна была сделать аналогичный выбор — вот только подсказки в виде лампочки у неё не было. Тем не менее Б уверенно выбирала правильный вариант! Авторы объясняют результат так: налицо передача информации по цифровому каналу из мозга в мозг и совместная работа двух нейронных систем при посредничестве электронной. Если когда-нибудь место крыс займут люди, они так же смогут общаться через Интернет без помощи клавиатуры, микрофона или видеокамеры — чистой мыслью! А вдобавок смогут совместно думать, образовывая своего рода параллельный биологический компьютер.

Как скоро будет построена такая нейроэлектронная система связи, предсказать не берусь. Зато уже нашлись смельчаки, вообразившие, что такую систему построили — и сделавшие следующий шаг: заменившие человека на одном конце на мощный компьютер. В самом деле, представьте, что в опыте с Джонни Рэем число электродов, подключенных к мозгу, было бы увеличено на один-два порядка, то есть достигло бы тысяч штук (та же нейропыль это позволяет). Плюс, НЭИ-контакт был бы сделан двунаправленным (как RE-NET) и с другой стороны подключили бы не рядовой «Пентиум», а, скажем, суперкомпьютер, на котором работает искусственная нейронная сеть (опыты по расшифровке биотоков мозга искусственными нейросетями тоже уже проводились и ведутся с очень обнадёживающими результатами). Теперь попросим нашего подопытного научиться использовать подключенный к его мозгу электронный мозг. Конечно, на это уйдут не недели и месяцы, а годы — ведь речь не о курсоре на экране, и даже не о протезе. Но важно, что в конце концов человек, вероятно, освоится: расширит свои интеллектуальные способности за счёт электронно-вычислительной машины, задействует её для запоминания новых знаний, решения математических задач, может быть и рассуждений.

Теперь сделаем ещё один шаг: предположим, что живая половинка получившейся системы умерла. Что случится после этого? Отключится ли и суперкомпьютер? Или сознание человека останется «жить» в искусственной нейросети? Тему эту давно разрабатывают фантасты (вспомните «Свечи перед пультом» братьев Стругацких), но теперь, когда ничто принципиально не мешает провести проверку, ею занялись и серьёзные учёные. В частности, в рамках инициативы «Россия 2045», запущенной российским бизнесменом Дмитрием Ицковым (интервью с ним мы публиковали в одном из предыдущих номеров «Бизнес-журнала»), в этом направлении работают члены Российской Академии Наук. К 2035 году участники «России 2045» планируют создать электронное тело, в которое можно будет переместить сознание человека.

Фантазии? Может быть. Но теперь, когда мы можем проверить, неужели проверить не возьмёмся?!

мозг,нейроэлектроника,нейроэлектронный_интерфейс,ЭЭГ,нейропыль,нейрочип,здоровье,человек,мысль