— Сегодня мы выбрали в качестве темы нейрофизиологию. Точнее, специфический ее раздел, а именно технологию «интерфейс мозг-компьютер», в общем, как можно соединить мозг с компьютером. Если быть более точным, это раздел о том, как мы можем прочитать мозг или его активность с помощью разных технических средств. Что такое интерфейс мозг-компьютер в самом общем виде?
— На слуху больше термин «нейрокомпьютерный интерфейс», но это то же самое, что интерфейс мозг-компьютер, или ИМК. Нейрокомпьютерный интерфейс — это не просто какое-то устройство или программа, это целая технология, которая позволяет человеку научиться взаимодействовать с внешним миром без помощи мышечных действий, без голоса, напрямую от мозга, на основе регистрации его электрической активности, или электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Логика этого интерфейса проста: намерение человека к какому-либо действию должно проявляться в изменении ЭЭГ. Эти изменения ЭЭГ и расшифровываются компьютерными средствами. По результатам этой расшифровки формируются команды для соответствующих исполнительных устройств. Например, я хочу включить телевизор — это мое намерение проявляется в изменении показателей ЭЭГ. Если эти изменения удается выявить в тот же момент, как они произошли, то дальше остается электронными средствами сформировать команду, которую понимает сенсорный модуль телевизора. Итак, это технология, которая позволяет человеку напрямую от мозга, силой своих волевых действий, волевого импульса или намерения управлять внешними устройствами.
— Что именно распознается, какая активность? Потому что, я так понимаю, пока о подключении электродов к мозгу речи нет, по крайней мере, в основных экспериментах. Что это? Это в первую очередь электроэнцефалограмма, то есть электрическая активность мозга?
— Да, мозг — это гигантская сеть нервных клеток, постоянно обменивающихся между собой сигналами в виде электрических импульсов. Суммированные отголоски электрических полей этих импульсов можно зарегистрировать прямо на кожной поверхности головы. Действительно, если приложить к коже головы два проводника, то между ними можно зарегистрировать колебания разности электрических потенциалов. Правда, их амплитуда составляет всего миллионные доли вольта. Запись этих колебаний и есть электроэнцефалограмма, или ЭЭГ. Если эти потенциалы усилить в миллион раз, превратить в цифры и загнать в компьютер, то там начинается главное таинство нейроинтерфейса — расшифровка намерений человека по ЭЭГ. Алгоритмы расшифровки — это совместный труд и ноу-хау нейрофизиологов, математиков, программистов.
— Но здесь же, в записи ЭЭГ, огромное количество помех. То есть все равно получается, что в основе расшифровки лежит лишь некоторое эхо процессов, которые происходят в мозгу. Сами процессы не улавливаются, улавливаются только их отголоски.
— Совершенно правильно. То, что мы регистрируем с поверхности головы, можно сравнить с шумом от автомобиля. Правда, опытный механик даже в этом шуме может найти признаки плохой или хорошей работы отдельных узлов двигателя. Так же примерно поступаем и мы, разбирая в этом шуме от более чем восьмидесяти миллиардов нейронов признаки того или иного намерения. Однако важно понимать, что, если работать просто с кривой ЭЭГ, ничего расшифровать не удастся. Один продвинутый знакомый даже упрекнул меня в том, что для расшифровки ЭЭГ мы не обращаемся к специалистам, которые профессионально работают с декодированием сложных шифров. Мол, они специально тому и учились, чтобы справиться с самыми сложными кодировками сообщений. Я на это отвечаю так: «Как раз эти специалисты нам ничем помочь не смогут». Дело в том, что мозг не использует ЭЭГ для сообщений, то есть в ЭЭГ попросту ничего не зашифровано. В ЭЭГ можно обнаружить только отзвуки каких-то событий в мозге. В поиске таких отзвуков намерений в ЭЭГ нейрофизиологи идут путем многократных тестирований системы: они предлагают испытуемому много раз вызвать в себе несколько конкретных намерений, например «хочу сжать правую кисть», «хочу сжать левую» и т. д. Дальше расшифровывается именно эта тестовая запись с заранее известными событиями в мозгу, становится ясно, какое конкретное изменение в ЭЭГ характерно для появления того или иного конкретного намерения. Таблица этих соответствий и есть ключ к расшифровке, с помощью которого можно в текущей ЭЭГ отслеживать появление уже заранее известных маркеров намерений человека.
— Наверное, можно подбрасывать испытуемому не только буквы, но и какие-то визуальные образы и фиксировать его активность в этой ситуации.
— Да, совершенно верно, можно и так. Мы можем придумать такую систему демонстрации на экране, которая тестирует интерес человека к тем или иным картинкам по реакциям ЭЭГ. Имея этот код, можно потом по текущей ЭЭГ догадываться о появлении интереса человека к тому или иному тестировавшемуся сюжету и о том, что его заинтересовало в большей мере, что в меньшей.
— При этом все-таки некоторая задача чтения мысли людей так или иначе возможна, по крайней мере, гипотетически. То есть в некотором смысле так же, как работает детектор лжи, который фактически просто снимает биопараметры активности человека (изменение давления, потоотделения и прочего) на какой-то вопрос или фразу и фиксирует изменение его отношения. А здесь мы можем зафиксировать конкретную картинку, подбрасывая человеку визуальный образ.
— Детектор лжи не читает мысли по определению. Детектор лжи регистрирует реакции человека, которого провоцируют на эти реакции специальными вопросами. Но на основе технологии «интерфейс мозг-компьютер» можно сделать наиболее совершенный детектор лжи, потому что скрытый интерес человека к тому или иному объекту в контуре нейроинтерфейса можно тестировать без каких-либо провокаций. Человек может даже не заметить, что он находится в контуре выявления скрываемой информации. Мы сейчас не занимаемся разработкой практических реализаций детекторов лжи, потому что пока нет подходящего финансирования под эту задачу.
— Что касается мирных целей, в которых используется нейрокомпьютерный интерфейс. Что это может быть?
— В практическом отношении наиболее продвинуты работы по нейрокомпьютерным интерфейсам в медицине. В частности, в нашей лаборатории готовится первый в стране нейрокоммуникатор специально для пациентов с тяжелыми нарушениями речи и двигательной функции после инсультов, после черепно-мозговых травм. Прямо сейчас в нашей лаборатории любой человек может сесть за экран компьютера и набирать текст буква за буквой, не трогая клавиатуру, просто фокусируя внимание последовательно на той или иной букве.
— А с какой скоростью он печатает?
— Это всего лишь 12–15 символов в минуту. В то время как, если тексты набирать на клавиатуре двумя пальцами, это будет 90 символов. Но мы же говорим о медицинском проекте, когда у пациента нет никакой возможности набрать текст, кроме как использовать для этого волевые усилия. Только в одних США насчитали более 300 тысяч человек, страдающих тотальным параличом, которые никаким движением не могут дать знать что-либо о своих желаниях, намерениях. Вот если им предоставить такой буквопечатающий интерфейс, то фактически это будет для них новая жизнь. Более того, таким пациентам можно вместо букв предоставить нажимать волевым усилием кнопки пульта управления: принести пить, позвать врача, включить кондиционер, войти в интернет и т. д. Мы все это сделали в лаборатории. Мы даже сделали конструктив для гипертекстовых справочников. Как в фантастических фильмах, где вы смотрите на экран и мыслями листаете, находите нужную страничку.
— А эта технология используется в протезировании? Она как-то может быть задействована в создании механизмов, заменяющих или восполняющих недостатки, потерю конечностей например?
— Да, на очереди нейроманипуляторы, то есть устройства, которые позволяют силой нашего намерения что-то физически делать в этой среде, что-то себе подать, что-то передвинуть. Нейроманипуляторы управляются по-другому: в энцефалограмме мы находим изменения, характерные для моментов, когда человек думает, например, о движении собственной руки. На основе нейроманипуляторов мы сейчас создаем нейротренажер, который позволит передать намерение человека сделать движение своей парализованной рукой к экзопротезной конструкции, прикрепленной к этой руке. В этом и заключается тренировка, так как намерение человека получает свое функциональное завершение: рука движется. Идея в том, что, имея подтверждение своим намерениям, мозг постепенно реорганизует свои ресурсы таким образом, чтобы установить связь с мышцами руки. Экзоскелет в таком случае можно будет убрать, как отказываются от костылей, когда срастается кость.
Есть еще одна перспектива разработки нейроманипуляторов — это автоматизированное больничное место. Даже полностью обездвиженный пациент сможет в какой-то мере обслуживать себя: усилием воли выдвинуть перед собой компьютерный экран, манипулятором подать себе стакан воды, изменить наклон кровати, нажать тревожную кнопку и т. д. Неплохое решение в условиях, когда повсеместно не хватает младшего медицинского персонала.
— Если продолжить эту линию: а мозг мы можем протезировать?
— Мозг, пожалуй, единственный орган тела, для полного протезирования которого нет ни теоретических, ни экспериментальных оснований. Однако это не закрывает перспективу создания протезов, пусть очень плохо, но все-таки хоть как-то имитирующих исходную функцию. Ведь мозг — это хотя и сверхсложное, но достаточно структурированное информационно-аналитическое устройство. Как и в компьютере, пусть мы не можем заменить центральный процессор, но сборку сгоревшего USB-порта тем или иным способом сделать из «подручных» материалов можно.
Можно и не повреждать гиппокамп: крыса, как и человек, иногда хорошо помнит нужные ей дела, иногда плохо. А когда память ее подводила, ученые подключали чип-протез — крыса тут же вспоминала, куда бежать к кормушке. Электронный чип дополняет гиппокамп!
— То есть фактически это стимулятор памяти?
— Под термином «стимулятор» обычно понимают таблетку или средство, которые повышают активность нервных клеток, например кофеин. Чип Бергера скорее не просто повышает активность, а формирует определенную комбинацию активностей нервных клеток, которая соответствует памяти на вполне определенный навык. В опытах Бергера это был навык крысы на выполнение частной задачи — поиска одной из двух кормушек в конкретной обстановке. Потому что именно для этого навыка был подобран код активации, который и зашили в электронный чип.
А если спросить, возможно ли подсмотреть коды активации для всех навыков организма и поменять весь мозг на подобные электронные чипы или, еще больше, переписать содержимое мозга на искусственные носители информации и процессоры? Я бы ответил: «Нет, невозможно, хотя бы потому, что навыки — это гораздо больше, чем совокупность раз и навсегда изготовленных элементов конструктора». Навыки, помимо того, что объединяют не только мышечные, но и умственные действия, и знания, и модели, и планы, и многое другое, еще постоянно модифицируются, подгоняются друг под друга, под текущие потребности организма и реалии мира. Расшифрованный однажды код активации какого-то навыка может не пригодиться уже в следующую минуту.
— Может, вопрос только в том, насколько долго у исследователя мозга будет возможность экспериментировать с целью записи все новых и новых кодов активации?
— Вы ведете речь не просто об элементарных двигательных навыках, а о том, можно ли по электрической активности мозга расшифровать внутренние побуждения человека, намерение, например, совершить террористический акт. К сожалению, здесь разнообразие мыслей чрезвычайно велико, несоизмеримо с разнообразием навыков, для которых можно составить коды активаций. Сколько бы повторных записей ЭЭГ ни сделать, например, при воображении красной розы, каждая новая запись будет отличаться от предыдущей настолько, что легко перемешается с записью при мысленном представлении двугорбого верблюда. А если говорить о внутримозговых электродах, то даже 100 тысяч контактов несоизмеримо мало по сравнению с миллионом миллиардов контактов между нервными клетками, операциональных единичек мозга человека.
И самая главная проблема: мы не знаем коды, на которых общаются между собой нервные клетки. Но даже если бы мы узнали эти коды, ничего бы это не дало, так как эти коды постоянно модифицируются в соответствии с постоянно обновляющимся контекстом. Как за всем этим следить?
— Если вернуться к чтению мозга, что, собственно, мы сейчас можем прочитать и какие есть перспективы для этого чтения? По крайней мере, если мы не вторгаемся на нейрональном уровне, то есть неинвазивно, снимая какую-то активность с поверхности мозга.
— Мы должны сразу разделить два подхода в области разработки нейроинтерфейсов: инвазивный, то есть с внедрением электродов в мозг, и неинвазивный, когда регистрация ЭЭГ производится поверхностными электродами. Внедрение электродов прямо в мозг дает более точную расшифровку волевых усилий человека по сравнению с возможностями декодирования при поверхностном расположении электродов. В настоящее время уже тестируются системы инвазивной регистрации, содержащие до двух тысяч внедренных в мозг электродов. В ближайшем будущем ожидается появление электродных сборок до 100 тысяч контактов. Мне представляется, что при таком аппаратно-электронном обеспечении в ближайшие годы будут получены нейроинтерфейсные системы, которые посредством волевых усилий позволят управлять искусственными робототехническими системами не хуже, чем мы это сейчас делаем с помощью ручного управления. Только сами манипуляторы, роботы, другие исполнительные устройства тоже должны быть усовершенствованы для понимания команд нейроинтерфейсов, так же как в простейшем случае, например, мобильный телефон снабжен умением предугадывать набираемые с его клавиатуры слова.
— Если немного пофантазировать, что нас ждет в этой области дальше?
— Давайте чем-то ограничим пределы наших фантазий. Если говорить о научной фантастике, то лучше исходить из того, что мы уже знаем и что не противоречит уже известным законам Природы. Мне кажется, что, например, протезирование органов человека по мере выхода их из строя и создание практически полного протеза тела человека возможно с включением биореакторов — это задача всего на несколько десятилетий. Однако протезирование мозга, как мы уже говорили, даже теоретически нерешаемая задача. Между тем печальная статистика нам говорит, что в подавляющем большинстве случаев человек уходит из жизни тогда, когда мозг его еще полон жизни. Поэтому в самое ближайшее время возникнет практическая задача все большего поглощения естественного тела человека протезами с необходимостью их прямого подключения к управлению от мозга. Нейроинтерфейсы обратятся внутрь человека, чтобы обеспечить не только управлением искусственными конечностями, но и системами регуляции жизнедеятельности в зависимости от степени и особенностей протезирования биологического тела. Я не знаю, как далеко может зайти построение симбиоза между искусственным телом и естественным мозгом, но в любом случае здесь речь идет не о создании фантастических электронных монстров или киборгов, но о продлении жизни каждого конкретного человека. Мы уже привыкли к мысли о том, что жизнь человека может продолжиться не только благодаря чужим органам, но и с помощью искусственных включений в тело: клапанов сердца, каркасов сосудов, металлических бедренных и коленных суставов, пластиковых хрусталиков глаза и т. д. Возможно, именно нейроинтерфейсные технологии станут решающими на пути создания условий для полной реализации ресурсов мозга человека как биологического органа. Вместе с применением терапии против биологического старения мозга личность человека получит максимально возможные временные пределы для своего развития и совершенствования.
— А что является основным препятствием для реализации?
— Создание компактных искусственных органов, которые возможно было бы разместить в теле человека — это непростая проблема не только с точки зрения технического воплощения того или иного органа, но в гораздо большей мере с точки зрения кибернетического объединения искусственных органов и естественного мозга в единый, слаженно работающий биотехнический комплекс. Есть, наверное, торможение и в связи с нерешенными морально-этическими, юридическими и даже философскими вопросами в связи с возможностями и последствиями искусственной реконструкции тела человека. Мне кажется, что эти вопросы на много порядков социально более ответственны, чем, например, аналогичные коллизии, возникшие при создании ядерной энергетики.
