CC BY
90
Л н
и 1—г
ч о ^
н
Мастерские
телекинеза и телепатии
Евгении Золотое
Интерфейс — это то, что позволяет человеку взаимодействовать с машинами и механизмами и управлять ими. Высшая точка прогресса в этой области — управление силой мысли, о котором давно мечтали писатели-фантасты. И теперь оно постепенно становится реальностью — настолько, что в продаже появляются первые нейроэлектронные «контроллеры». Дальше — больше. Чтение мыслей, передача их на расстоянии другому человеку — перестают быть уделом одних лишь парапсихологов и экстрасенсов. Все это становится обычной научно-технической задачей, практическое решение которой ищут команды ученых и разработчиков в разных странах мира.
В вычислительной технике с середины XX века сменилось несколько поколений интерфейсов. Несколько упрощая, можно сказать, что до 1980-х в этой сфере доминировали клавиатура и неуклюжее «световое перо». Затем почти на тридцать лет акцент сместился на компьютерную мышь (изобретатель которой Дуглас Энгельбарт, удостоенный всех мыслимых наград, скончался этим летом). А в последнее время мы наблюдаем, как начался дружный переход устройств на интерфейсы, использующие возможности сенсорных экранов, которые еще сильнее упростили контакт человека с машиной. Но вот что интересно: есть основания полагать, что сенсорный этап не растянется на привычные тридцать лет. Вместо этого в считанные годы мы совершим прыжок к интерфейсу абсолютно нового уровня, который изменит мир цифровой техники до неузнаваемости.
Интерфейс «четвертого поколения» позволит подключить головной мозг пользователя напрямую к машине — и это обеспечит невиданный скачок скорости и функциональности. Скажете, фантастика? Не спешите!
Интерфейсы нового поколения называют по-разному: мозговой интерфейс, человеко-машинный, прямой нейронный или нейрокомпьютерный. Полнее всего их, пожалуй, описывает термин, который используют в некоторых западных лабораториях: нейроэлектронный интерфейс (НЭИ). Разработка идет по двум основным направлениям. Первое — это прямое электрическое подключение компьютера к мозгу человека. Разумеется, не с помощью разъемов вроде USB, а вживлением электродов. Второе — измерение электрической активности мозга с помощью датчиков, укрепленных снаружи, что не требует каких-либо хирургических операций. У каждого подхода свои плюсы и минусы, свои сферы применений и свои перспективы. И каждый заслуживает подробного рассмотрения.
НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ХОДУ
Основа для намечающегося технологического прорыва в области НЭИ была заложена еще в XIX веке учеными, изучавшими работу мозга, — в том числе нашими соотечественниками (Иван Сеченов и др.). Однако отправной точкой принято считать 1920-е годы, 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 обнаружить. Напряжение это чрезвычайно слабое (измеряется в десятитысячных долях вольта, поэтому требуются особо чувствительные приборы), и оно изменяется. Так родилась электроэнцефалография (ЭЭГ),
1924
Ганс Бергер записывает первую электроэнцефалограмму (ЭЭГ) человека. Опубликовать результаты он решается лишь через пять лет, но все равно многие продолжают считать его чудаком, а некоторые — мошенником.
1969
Обоснована возможность создания нейроэлектронных интерфейсов (НЭИ) для приматов: обезьяны легко обучаются генерации электрических импульсов заданными группами нейронов в коре головного мозга.
которая и по сей день остается самым популярным методом исследования головного мозга.
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. Так или иначе, следующие полвека ученые потратили на глубокое зондирование человеческого мозга. Здесь тоже заметный вклад внесли советские специалисты, в частности нейрофизиолог Наталья Бехтерева, работавшая, помимо прочего, над задачей вживления электродов. А собственно первое упоминание термина brain-computer interface (в буквальном переводе с английского «интерфейс мозг — компьютер»; ИМК) произошло в 1970-х годах, когда сразу несколько научных коллективов, экспериментируя с обезьянами, показали, что можно измерить и расшифровать электрические импульсы, генерируемые так называемым двигательным участком коры головного мозга. В 1990-е годы «подключенные» к компьютеру обезьяны уже могли «силой воли» управлять на экране компьютера различными объектами и даже 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 связанным с вычислительной машиной. Почти полностью парализованный после инсульта (подвижность сохранили только глаза и некоторые лицевые мышцы), Рэй согласился на вживление электродов в область коры головного мозга, отвечавшую за его левую руку. Компьютер преобразовывал мозговые импульсы в команды, управляющие курсором, однако авторы эксперимента, конечно, 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 все повторялось снова и снова. Через несколько месяцев он уверенно управлял курсором, а спустя год мог вести беседу, мысленно выбирая нужные буквы из нарисованного на экране алфавита.
В этом эксперименте, который, к сожалению, оказался недолгим (Джонни Рэй скончался в начале двухтысячных от естественных причин), проявилось, пожалуй, самое ценное свойство головного мозга — нейропластичность. Структура мозга не остается постоянной, она непрерывно меняется, что, к примеру, помогает ему восстанавливаться после повреждений (тех же инсультов). Именно благодаря этому свой-
л
о CL сГ
О
X
н
1978
ству подключенное к мозгу внешнее устройство постепенно становится словно бы частью организма: человек учится управлять им, как собственным телом. Это дарит надежду миллионам людей, частично или полностью утративших естественные функции: однажды и они, подобно Джонни Рэю, смогут управлять электронными устройствами, словно недостающими частями тела. Да что там, уже сегодня на рынке доступны нейроэлектронные «протезы», частично возвращающие зрение, слух и подвижность.
К сожалению, имплантация электродов в головной мозг остается процедурой, которая чревата проблемами для здоровья, а то и жизни пациента. Кроме того, даже если вживление электродов проходит успешно, место контакта со временем начинает обрастать рубцовой тканью, что затрудняет долгосрочную эксплуатацию «соединения». Наконец, количество электродов, которые удается таким образом «воткнуть» в мозг, очень ограничено (а значит, ограничена и пропускная способность при передаче сигналов): в среднем наука и медицина довольствуются сегодня десятками электродов, работающими несколько лет. К решению этих проблем исследователи подбираются с разных направлений, и хотя пока говорить о победе рано, имеются обнадеживающие результаты. Например, не далее как в июле 2013 года Калифорнийский университет в Беркли сообщил о разработке так называемой ней-ропыли — крохотных (всего 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 ее помещение внутрь черепной коробки требует хирургического вмешательства.
Вот почему по мере возможности исследователи стараются обойтись подключением электронных устройств не напрямую к головному
Доброволец по имени Джерри, ослепший в зрелом возрасте, становится первым человеком, которому частично возвращено зрение: сигнал с видеокамеры транслируется в его мозг через 68 электродов, благодаря чему Джерри может ориентироваться в пространстве и различать крупные объекты.
СЕРЕДИНА
1980-х
Первое применение неинвазивного НЭИ для связи парализованного человека с синтезатором речи.
КОНЕЦ
1980-Х
Удается декодировать импульсы отделов головного мозга обезьян, отвечающих за управление руками.
1990
Электроды, вживляемые в мозг обезьян, функционируют без замены на протяжении более трех лет.
мозгу, а к нервной системе. Здесь дальше всех продвинулись специалисты Агентства перспективных исследований (DARPA) при Министерстве обороны США. Минувшей весной они продемонстрировали разработанную ими RE-NET (англ. аббревиатура, которая расшифровывается как «надежная нейроинтерфейсная технология»), при помощи которой возвращают подвижность солдатам, изувеченным на войне. RE-NET предполагает вживление электродов в нервы и мускулы культи (что дешевле, проще и чревато меньшими неприятностями для здоровья в случае, если что-то пойдет не так) и подключение их к электромеханическому протезу. В ходе демонстрации подопытные проявляют настоящие чудеса ловкости: хватают предметы на лету, манипулируют небольшими объектами, действуют на ощупь и т. п. Все это стало возможным не только в силу 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 ощущают, 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.
ДЛЯ НАРУЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Инвазивные нейроэлектронные интерфейсы (так иногда называют соединение человека с машиной, требующее прямого электрического контакта) уже имеют коммерческое применение. Так, на рынке присутствуют медицинские имплантаты, которые устанавливаются в мозг
НАЧАЛО
1990х
парализованных пациентов и помогают им контролировать роботизированный манипулятор или движение кресла-каталки (продукт американской компании Cyberkinetics/BrainGate). Впрочем, сложность операции и риски для здоровья пациента сильно ограничивают диапазон применений имплантата. Фактически ин-вазивные НЭИ сегодня применяются только в медицине — для коррекции зрения, слуха, речи, неврологических отклонений и физических недостатков — и всегда требуют клинических испытаний, одобрения регулятором.
А что если отказаться от вживления электродов в человеческое тело? Например, считывать электрические импульсы с поверхности головы? Этому посвящено второе направление в индустрии нейроэлек-тронных 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 легкий, красивый шлем!
Основой тут служит все та же старая добрая ЭЭГ. Оператор 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, остается их только дешифровать.
К сожалению, не все так просто. Отказавшись от хирургического вмешательства, мы не можем рассчитывать на прямую обратную связь и сильно теряем в точности измерения — а значит, и в интерпретации сигнала. Но если обратную электрическую связь можно компенсировать визуальной (как Рэй, подавая «мысленные приказы» курсору, оценивал результат глазами), то с точностью дело обстоит хуже. «Пробиваясь» через кости черепа и кожу головы, электрические импульсы мозга слабеют и «размазываются». Так что, хотя возможность управления компьютерным курсором с помощью неинвазивного НЭИ исследователи продемонстрировали еще двадцать лет назад, только в последние годы удалось более или менее компенсировать потерю точности.
Изобретена функциональная магнито-ре-зонансная томография (МРТ), которая в паре с ЭЭГ становится наиболее популярным методом визуализации нейронной активности.
СЕРЕДИНА
1990-х
Совершенствование инвазивных НЭИ приводит к серии успешных экспериментов, в которых подопытные животные (главным образом обезьяны) управляют внешними электромеханическими устройствами (рука-манипулятор и т. п.).
1998
Джонни Рэй становится первым человеком, управляющим компьютером напрямую, через вживленные в мозг электроды.
1999
Группа Янг Дана вживляет электроды в та-ламус кошки и восстанавливает на дисплее компьютера видимое кошкой изображение.
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 формирует в затылочной части 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. Пользователь, на голове которого была укреплена шапочка с 64 электродами, после недолгого обучения успешно осуществлял мысленное управление игрушечным вертолетом, который носился по спортзалу с расставленными по нему препятствиями.
Строго говоря, на пути неинвазивных НЭИ к прилавку было и остается еще несколько помех — вроде необходимости обеспечить плотный электрический контакт электродов (или электромагнитных сенсоров) с кожей головы. Однако в сравнении с избавлением от хирургического вмешательства все 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 футуристическом шлеме уже не выглядит подопытной обезьяной, опутанной проводами. С технической точки зрения EPOC — это 14 сенсоров, показания с которых передаются через Bluetooth-канал на персональный компьютер. Специальное программное обеспечение обрабатывает и дешифрует сигнал. Мыслешлем позволяет, например, управлять аватаром в компьютерной игре: виртуальный персонаж будет менять выражение лица, повторяя мимику игрока, или перемещать предметы. Пока такие фокусы возможны лишь в простых
-û
s <
s и
КОНЕЦ 2000x
играх, написанных специально под EPOC. Но с мыслешлемом можно играть и в обычные компьютерные игры — правда, после предварительной настройки и тренировки: ведь необходимо объяснить компьютеру, какое движение мышью или нажатие кнопки на клавиатуре заменяет та или иная мысленная команда.
В том же направлении трудится и другой крупный игрок НЭИ-индустрии, американская компания NeuroSky. Она продает самый дешевый «мыслешлем» MindWave (стоимостью $99), а разработанная ею микроэлектронная начинка используется многими более мелкими разработчиками в своих продуктах. Скажем, PLX Devices построила на чипах NeuroSky серию спортивных гаджетов XWave Sports, которые сопрягаются с мобильными устройствами.
Вообще говоря, «мобильная» тема в неинвазивных НЭИ сейчас привлекает многих — как производителей, так и энтузиастов: пишутся программные интерфейсы, прорабатываются идеи мысленного управления смартфонами и планшетами.
Простота и безвредность неинвазивных НЭИ позволили охватить даже самую юную категорию потребителей. В конце двухтысячных известный производитель детских игрушек Mattel выпустил Mindflex — настольную игру для всех возрастов, начиная с младшего школьного (кстати, тоже на чипах уже знакомой вам NeuroSky). Здесь, переключаясь между альфа- и бета-ритмами, один или два игрока могут управлять парящим в потоке воздуха шариком (расслабляешься — шарик опускается, концентрируешься — поднимается). Считается, что Mindflex стала самым продаваемым продуктом, реализующим НЭИ.
Удается декодировать снятые неинвазивны-ми методами сигналы из отделов мозга человека и животных, отвечающих за зрение. В перспективе это позволит читать сны.
2002
Британский профессор Кевин Уорвик имплантирует сотню двунаправленных электродов в нервы своей руки. Это позволяет ему управлять электромеханической рукой-манипулятором и «чувствовать» сенсорами на пальцах манипулятора. Позже супруга Уорвика проходит аналогичную операцию — и они становятся первыми людьми, осуществившими прямой нейро-электронный контакт (через интернет).
ВОСПОМИНАНИЯ О БУДУЩЕМ
Неинвазивные НЭИ — это не одни лишь игровые интерфейсы: есть для них применение и в медицине. К примеру, НЭИ-гарнитура, производимая австрийской компанией g.tec, ориентирована на людей, страдающих параличом: с ее помощью после недолгого обучения пользователи усилием воли могут набирать текст на компьютере, рисовать и играть в компьютерные игры (подробнее см.: «Азбука мозга» на с. 63). А продукты компаний
Interaxon 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 ведет разговор... Подобная информация полезна для медитативных тренировок, но не будет лишней и для тренировки внимания, и даже в настоящем спорте, где (есть данные, позволяющие это утверждать) мысленная концентрация на процессе улучшает результат.
Более того, неинвазивные НЭИ можно все-таки попробовать дополнить обратной электрической связью. Делается это так: на некоторые датчики, укрепленные на голове пользователя, подается 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 дает электростимуляция мозга? Есть свидетельства, что с ее помощью можно вылечить или облегчить течение многих психических болезней (включая депрессию, бессонницу), а еще — улучшить память, ускорить процесс обучения и усвоения новых знаний.
К сожалению, тут мы пересекаем опасную черту. К настоящему моменту не зафиксировано & негативных побочных эф- § фектов использования так называемой прямой транс- о краниальной1 стимуляции, y g но нет гарантии, что они S. Ш"
ш 5 X
не проявятся в будущем. J. 2 g Обоснованные опасения | С §■ вызывает и чувствительность НЭИ-продуктов даже к слабым посторонним электромагнитным полям: работа микроволновки, системы зажигания двигателя автомобиля, штатного медицинского и производственного оборудования может стать (и уже становилась) причиной сбоев в функционировании как инвазивных, так и неинвазивных НЭИ. Вот почему в развитых странах все больше сторонников идеи классифицировать все
Ё и
ш m
^ и-
О ©
неироэлектронные устройства как медицинские — а следовательно, подвергнуть их соответствующей обязательной сертификации, регулировать продажи и т. д.
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 мостики через которую сейчас пытаются всё новые и новые стартапы. При этом НЭИ отнюдь не ядерная физика: проблемы, встающие здесь перед технологическими предпринимателями, чаще всего очень приземленные и прикладные. Скажем, сейчас главный тормоз на пути НЭИ-гарнитур на рынок компьютерных игр — недостаточно быстрая реакция компьютера на мысленные сигналы (вот почему мыслешлем EPOC не в силах пока заменить мышь и клавиатуру в игровых аркадах и шутерах, где важна скорость).
Что до перспектив, то они рисуются совершенно фантастические. Не претендуя на охват всех возможных применений ней-роэлектронного интерфейса в будущем, позвольте остановиться на двух наиболее важных. Это передача мысли на расстояния и — ни больше ни меньше — бессмертие.
НЭИ 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 нейроэ-лектронное 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 этого года рупор научной мысли журнал Nature опубликовал отчет американо-бразильского коллектива ученых, поставивших следующий замечательный эксперимент. В головной мозг двух белых крыс в одинаковых местах была вживлена матрица электродов. Сигналы из мозга первой, назовем ее крысой А, после обработки цифровым устройством (фактически обычным персональным компьютером) транслировались по цифровому каналу (фактически через интернет) в мозг крысы Б.
Эксперимент сводился к решению простой логической задачки. Крысу А ставили перед двумя идентичными кормушками, содержимое которых ей было не видно, но давали подсказку: над той, в которой есть корм,
1 ^ ° загоралась лампочка. После того как А обучалась де-° | Y лать правильный выбор, к опыту подключали ее на-^ £ ^ парницу. Одновременно с А крыса Б оказывалась
2 m О' f
ш ¡i z перед идентичными кормушками и должна была сделать аналогичный выбор — вот только подсказки в виде лампочки у нее 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 смогут так же общаться через интернет без
0-
§ j m
"т1 k °
и I
2 < I
-Л ^
ш ^ ^
о- t 5
1- S
Ё § £
5! a ^ ■ 01
N ^
помощи клавиатуры, микрофона или видеокамеры — чистой мыслью! А вдобавок смогут совместно думать, образуя 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 на одном конце человека на мощный компьютер. В самом деле, представьте, что в опыте с Джонни Рэем число электродов, подключенных к мозгу, было бы увеличено до нескольких тысяч штук: та же нейропыль это позволяет. Плюс НЭИ-контакт был бы сделан двунаправленным (как это происходит по уже описанной технологии 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 об-
Ценное свойство головного мозга — нейропластичность. Подключенная к мозгу «периферия» в виде различных устройств постепенно становится словно частью организма: человек учится управлять ими, будто собственным телом
надеживающими 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 счет электронной вычислительной машины, задействует ее для запоминания новых знаний, решения математических задач, может быть — и рассуждений.
Теперь сделаем еще 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 серьезные ученые. В частности, в рамках инициативы «Россия 2045», запущенной российским бизнесменом Дмитрием Ицковым2, в этом направлении работают серьезные научные коллективы, включая членов Российской Академии наук. К 2035 году участники «России 2045» планируют создать электронное тело, в которое можно будет переместить сознание человека.
Фантазии? Может быть. Но первые шаги в этом направлении уже давно сделаны!
