Стремление упростить коммуникацию между человеком и компьютером привело к созданию нейроинтерфейсов. Интерфейсы «мозг — компьютер» регистрируют электрическую активность мозга и обеспечивают прямую связь между ним и устройством. Сейчас нейроинтерфейсы применяются в первую очередь в медицине, помогая пациентам вновь учиться ходить и общаться. Однако этим возможности технологии не ограничиваются. Где еще она применяется, какие проблемы встают перед теми, кто занимается разработкой нейроинтерфейсов, и какое будущее у этой технологии — рассказывает доктор биологических наук Александр Каплан.
Как работают нейроинтерфейсы
Нейроинтерфейсная технология называется интерфейсом «мозг — компьютер», поскольку именно компьютер регистрирует, обрабатывает электрические реакции головного мозга и трансформирует эти сигналы в команды для исполнительных систем. Клетки мозга передают сообщения друг другу электрическим путем, и такие отголоски жизни нейронов можно зарегистрировать на кожной поверхности головы, несмотря на то что они крайне слабы, порядка миллионной доли вольта.
Главный элемент в нейроинтерфейсной технологии — это модуль распознавания намерений человека или возникающих в его голове образов по электрической активности мозга: человек только представил какое-то свое действие, например движение рукой, хочет что-то сделать, а сигналы об этом уже могут быть зарегистрированы и переданы по электронной цепи к исполнительному устройству, которое выполнит задуманное действие. Получается, что с помощью нейроинтерфейсной технологии человек может выполнить задуманное действие без посредства нервов и мышц, прямой командой мозга исполнительному устройству. Одна из трудностей этой технологии заключается в том, что далеко не любое намерение удается распознать по электрической активности мозга. Например, никому пока не удалось расшифровать по электрической активности мозга, думает ли человек о мандарине или паровозе, о море или горах и так далее. Как правило, с хорошей вероятностью удается расшифровать намерения или образы, связанные с движением частей тела. А дальше, что самое главное, это расшифрованное намерение можно использовать как мысленную команду для внешних исполнительных устройств, например для игрушечной машинки с мотором: представляешь левую руку — это команда для поворота направо, левую — налево и так далее.
Конечно, процедура расшифровки начинается с обучения алгоритмов «на примерах»: берутся сегменты электрической активности мозга, на фоне которых человек представлял тот или иной образ. Если алгоритмы научатся их различать, то далее можно их заставить «наблюдать» за текущей электрической активностью и сообщать в систему, как только они обнаружат фрагмент, который похож на пример с соответствующим образом. Это и будет знаком для формирования первой команды и так далее для каждого из тестировавшихся образов или намерений.
Этот тип интерфейсов, как видно, основан на фокусировании внимания человека к внутренним своим намерениям и образам. В нем можно получить 4–6 мысленных команд. Другой тип нейроинтерфейсов основан на фокусировании внимания к внешним объектам, например к подмигивающим на экране монитора буквам алфавита. Здесь оказалось, что если человек заинтересован в какой-то конкретной букве, то реакция в электрической активности мозга на подсветку этой буквы будет отличаться от реакций на другие буквы. Таким образом это выдаст, какую букву в данный момент человек хочет набрать в тексте. Так, буква за буквой, пользователь сможет набрать текст, не прилагая к этому никаких мышечных усилий, не касаясь клавиатуры. Это так называемые коммуникационные нейроинтерфейсы.
Где используется нейроинтерфейсная технология
Более всего нейроинтерфейсы применяются сейчас в реабилитационной медицине, для помощи парализованным пациентам. Первый тип интерфейсов — для управления тренажерами, когда парализованную руку начинает разрабатывать механический экзоскелет, управляемый мысленными намерениями пациента. Второй тип нейроинтерфейсов пригодится, когда пациенты теряют речь: в этом случае одними мысленными усилиями они смогут набирать тексты.
Шлем или чип: как выглядят нейроинтерфейсы
Вживлять в мозг чип, представляющий собой пакет электродов, контактов с нервными клетками, очень опасно. Инородные тела отторгаются организмом. Чип долго не проживет в мозге, максимум пару лет, и здоровому человеку он ни к чему. За последние 20 лет разработки нейроинтерфейсных систем такие электродные комплексы были вживлены в мозг только 15–20 пациентам. Это делалось по медицинским показаниям, в частности чтобы дать возможность парализованным пациентам управлять манипулятором.
Запроса от здорового человека на вживление таких устройств в мозг не может быть: ведь для этого нужно будет делать нейрохирургическую операцию. Мы достаточно комфортно чувствуем себя без этих электродов. Но, несмотря на это, десятки или даже сотни тысяч людей ходят сейчас с вживленными электродными комплексами — правда, совсем по иному поводу. Например, для предупреждения приступов эпилепсии. Дело в том, что, как правило, изначально эпилептический приступ возникает в глубоких структурах мозга и далее распространяется по всему мозгу — человек теряет сознание, бьется в судорогах. Если это происходит раз в месяц, с этим как-то можно смириться. Но если такое случается несколько раз в день, это уже не жизнь. Оказалось, что достаточно пропустить слабый электрический ток через тот участок мозга, в котором зарождается эпилептический приступ, чтобы этот приступ предотвратить. Для этой процедуры в мозг пациента вживляется электрод, с помощью которого обнаруживают ранние признаки развития судорожной активности, и тут же через этот электрод в эпилептический очаг подаются электрические импульсы от миниатюрного стимулятора, предварительно вживленного под кожу головы. Пациенты даже не замечают, в какой момент их мог настигнуть приступ, потому что он тут же купируется.
Так что сама технология вживленных электродных комплексов распространена, но совсем не для того, чтобы расширить человеку память, эргономически подстроить под него компьютер или чтобы он умел быстро набирать тексты силой мысли.
Устройство, которое считывает электрическую активность мозга с кожной поверхности головы, состоит из трех частей. Первая часть — электродный комплекс, представляющий собой некоторое количество маленьких металлических дисков, которые прикладываются прямо к кожной поверхности головы для регистрации электрического потенциала. Таких электродов можно разместить много — у меня в лаборатории, например, можно закрепить на голове до 130 таких электродов, но для коммуникационного нейроинтерфейса достаточно всего 8 электродов, чтобы человек мог набирать буквы мысленными усилиями. Электродный комплекс прижимается к кожной поверхности головы специальной резиновой шапочкой.
Вторая часть — устройство, к которому идут провода от электродов и которое должно значительно усилить сигналы мозговой активности, поскольку они очень слабые, одна миллионная вольта, — такой слабый сигнал компьютер просто не сможет принять, чтобы его обработать.
Третья часть этой системы — вычислительная техника: сигналы принимаются на вход, и из колебаний потенциалов все это превращается в цифры, которые описывают амплитуды этих потенциалов. Дальше идет цифровая обработка сигнала: вычисляются разные его количественные характеристики, определяется его сходство с другими сигналами и так далее — последнее можно выяснить, если заранее составить каталоги сигналов, которые мы зарегистрировали, когда, например, человек представлял движение правой или левой рукой. На выходе мы получаем команду, которую можно подавать к внешним исполнительным устройствам.
Нейроинтерфейсы будущего
Конечно, наиболее привлекательной выглядит мысль о разработке нейроинтерфейсов для здоровых людей, в частности для набора текстов одними мысленными усилиями, без движений и голоса. Такие нейроинтерфейсы, как уже говорилось, разработаны, но работают они очень медленно — 10 символов в минуту. Между тем мы даже двумя пальцами набираем тест с клавиатуры со скоростью более 90 символов в минуту. Для пациентов это оптимально, поскольку они быстро утомляются, да и иного варианта у них нет, а для здорового человека это слишком медленно.
Помимо набора текстов нейроинтерфейсы могут помочь человеку управлять информационными потоками. Например, зачастую экран компьютера у пользователя заполнен несколькими окнами, среди которых нужным на данный момент может быть только одно. Если по энцефалограмме можно было бы определить, какая часть экрана более интересна человеку в данный момент, то можно было бы этой энцефалограммой управлять содержанием и параметрами экрана таким образом, чтобы сделать работу человека максимально комфортной. Подобного рода интерфейсы будут помогать человеку автоматически подстраивать устройства отображения информации, переводя их в наиболее оптимальный режим для восприятия человеком.
Есть, конечно, особые ситуации: скажем, для пилота, управляющего самолетом, нужно одинаково хорошо видеть все пространство монитора, отражающего параметры полета. Но мы говорим о простой работе человека на компьютере, когда обрабатывается какая-то рутинная бухгалтерская или научная информация, просматриваются сайты или книги, но при этом, как правило, внимание обращено только на часть экрана. В этом случае заранее подобранные маркеры в ЭЭГ посредством нейроинтерфейсов как бы водят по экрану фонариком, подсвечивая для человека именно ту информацию, которая ему нужна в данный момент.
Можно пойти дальше и постараться найти в ЭЭГ такие специфические изменения, по которым можно будет определять более тонкие намерения человека — например, листать страницы интернета, находить в нем еще неясно выраженную в словах, но уже востребованную в глубине мысли информацию и так далее. Таким образом можно было бы реализовать мечту любого пользователя компьютера: чтобы этот компьютер предугадывал действия человека раньше, чем он успел о них подумать. Сейчас этот подход разрабатывается научными коллективами многих лабораторий мира, и есть уже первые результаты, но до реализации в конкретных гаджетах еще далеко.
В ближайшем будущем, можно полагать, будут разработаны компактные высокодинамичные системы для оптимизации эргономических отношений человека с компьютером. На очереди вопрос о том, удастся ли создать нейроинтерфейсы, с помощью которых станет возможным управлять не кнопками и моторчиками, а непосредственно ячейками памяти процессора. Если удастся, это будет настоящая революция в нейроинтерфейсных технологиях и вообще в отношениях между человеком и машиной: кремниевые процессоры напрямую начнут обслуживать информационно-аналитическую деятельность мозга. При этом человек не превратится в киборга, он по-прежнему будет управлять внешними вычислительными средствами, но канал этого общения станет настолько динамичным, что эти внешние процессоры могут стать подобием третьего полушария мозга. Это касается и расширения памяти: можно было бы сто номеров телефонов положить на хранение в сто ячеек памяти — выглядит на грани фантастики, но все-таки теоретически возможно.
Возможна ли киборгизация?
Совсем другая область нейроинтерфейсных технологий — управление искусственными органами собственного тела: искусственной почкой, сердцем и так далее, которые уже испытываются и вот-вот войдут в реальную медицину. По-видимому, и здесь нейроинтерфейсы окажутся полезными для подстройки режимов работы искусственных органов под текущую деятельность организма и под замыслы будущего действия: например, если человек намерен резко ускорить движение или подняться по лестнице, то предварительно нужно будет усилить работу сердца. Эти намерения будут «услышаны» нейроинтерфейсами и переданы соответствующим механизмам искусственного сердца.
Конечно, на первый взгляд, гораздо лучше здесь выглядят фантазии о пересадке мозга человека в кибернетическое тело, и тогда отпадает необходимость конструирования отдельных органов. Но это только фантазии, которые, на мой взгляд, никогда не сбудутся. Все-таки мозг как орган живет только потому, что другие органы обеспечивают ему не только подачу кислорода и глюкозы, как думают многие, но еще и сложнейший коктейль всякого рода веществ — от аминокислот и витаминов до гормонов и массы других тканевых регуляторов. Кроме того, к мозгу подходит огромное число нервных волокон от всех органов чувств и от рецепторов внутренних органов. Отключить мозг от всего этого — это как вытащить процессор из его привычного разъема в компьютере.
И тем не менее от биологического старения никуда не деться: если кто-то задумает в реальности воспроизвести фантазию писателя Беляева «Голова профессора Доуэля», это не означает, что мозг человека будет жить так долго, как долго будет работать поддерживающая его питательными растворами кибернетическая платформа.
Теоретически можно было бы создать искусственный мозг, например, на кремниевых элементах, который в какой-то мере воспроизводил бы структуры естественного мозга и жил бы чуть ли не вечно. Однако сейчас представляется нереальным переписать содержание мозга человека на кремниевый носитель. Ведь чтобы переписать, например, какую-то картинку с флешки в компьютер, нужно знать форматы данных, коды, в которых записана картинка, смыслы кодовых символов и так далее. Если мы этого ничего не знаем, мы перепишем какие-то числа из компьютера, а в картинку они в итоге не превратятся — так и останутся числами. Никакой технологический прорыв тут не поможет, потому что даже теоретически невозможно знать коды общения нервных клеток, в каждой паре разные и ежесекундно меняющиеся в связи с поступлением новой информации.
Поэтому подключиться к 86 миллиардам нервных клеток головного мозга человека, да еще все раскодировать и собрать из этого мысли человека, — это нереальная задача. Однако с каждым годом ученым открывается все более широкий путь в изучении тонких механизмов мозга, в выяснении причин его заболеваний и в конечном итоге в познании того, кто мы есть.
