Нейрокомпьютерные интерфейсы начали перебираться со страниц фантастических романов в реальный мир. Но готовы ли мы впустить интернет прямиком к себе в мозг? Ученые-нейрофизиологи специально для читателей «РР» рассказали, как соединить мозг с компьютером и что из этого получается на практике
Если некий стремный тип
как-то мимоходом
вам вживить предложит чип
с электронным кодом...
Псой Короленко, «Я тебя не трогаю»
Денис Дзукаев, пациент московского реабилитационного центра, сосредоточенно смотрит в монитор. Без помощи рук и голоса он набирает сообщение в первой социальной сети, предназначенной для общения с помощью нейроинтерфейса, — российском НейроЧате. 2018 год, это уже реальность.
Нейроинтерфейс — это технология, позволяющая мозгу обмениваться информацией с внешним устройством: компьютером, экзоскелетом, дроном, инвалидной коляской, искусственными органами чувств или даже бытовой техникой. Только представьте: благодаря нейроинтерфейсам вещи подчиняются вашим мысленным командам. Парализованные пациенты, замурованные в собственном теле, обретают свободу двигаться и общаться. Мысли порхают по «нейронету» из головы в голову. Фантастика?
Вообще-то это уже происходит, мы наступаем на пятки будущему. Перенесемся в 2013 год: в кампусе Вашингтонского университета Раджеш рубится в компьютерную игру без рук — мысленно пытается выстрелить по цели. В соседней комнате у клавиатуры сидит его коллега Андреа. Как только Раджеш решает выстрелить, его мысль по интернету передается в мозг Андреа, и тот щелкает по клавише.
Через пару лет исследователи, находящиеся в Индии, Франции и Испании, посылают друг другу из мозга в мозг серии импульсов, кодирующие слова «привет» и «пока»…
В 2012-м в сети появляется видео о том, как Кэти Хатчинсон, тело которой из-за болезни замерло 15 лет назад, с помощью нейроинтерфейса управляет роботизированной рукой: берет чашку, выпивает своей утренний кофе — и улыбается.
В 2014-м на открытии чемпионата мира по футболу на стадион выходит Железный человек — Джулиано Пинто. Парализованный мужчина с помощью управляемого силой мысли экзоскелета делает первый символический удар по мячу.
Что ждет нас дальше? Похоже, через десяток лет мы сможем объединить свой мозг и искусственный интеллект, встроить себе какое-нибудь шестое чувство (например, эхолокацию), радикально увеличить память, общаться «телепатически» и заставлять мир вокруг подчиняться нашим безмолвным намерениям. Поэтому в исследования нейроинтерфейса по всему миру вкачивают огромные средства: Илон Маск, чтобы создать сверхбыструю связь «мозг-компьютер», основывает компанию Neuralink, в США запущен национальный проект BRAIN Initiative («Изучение мозга путем развития инновационных нейротехнологий»), сотни ученых Европы включились в масштабное исследование «Человеческий мозг». В России на создание нейроинтерфейсов в 2017 году выделили мегагрант в 90 миллионов рублей.
Знакомьтесь, мозг
Чтобы объяснить, как работает машина в голове, делающая нас нами, ученые осматриваются вокруг в поисках аналогичных устройств. Когда исследователи начали экспериментировать с электрическим током, то решили, что в голове главный начальник — электричество. Стоило появиться телефонным коммутаторам, мозг стали описывать как сложный клубок проводов и переключателей. Возникли компьютеры, и стало понятно, что мозг похож на компьютер, а после появления интернета его чаще сравнивают с информационной сетью. Чтобы разобраться в работе сознания, пока без метафор не обойтись — они помогают постепенно продвигаться в решении головоломки: ведь информация в мозге действительно передается с помощью электрических импульсов по своеобразным проводам — нервам, образованным отростками нейронов.
— Пару веков назад появилась идея, что мозг — это большой предсказатель, — рассказывает Алексей Осадчий, руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики. — Устройство, с помощью которого человек может предугадывать события. А потом с помощью информации от органов чувств мозг сопоставляет свое предсказание с действительностью. И если промахнулся — изменяет и предсказание, и свою модель ситуации.
— Так, мозг — единственный из органов, который позволяет организму приспособиться к окружающей среде, в то время как остальные — печень, сердце, легкие — в основном «интересуются» внутренней средой организма, — дополняет Александр Каплан, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ. — Именно поэтому мозг в буквальном смысле должен иметь «глаза» и «уши», — чтобы получать сведения о среде обитания. А еще он должен обладать «приводами» — нервами к мышцам, чтобы организм мог двигаться. И наконец, мозгу приходится вмещать в себя аналитические центры, чтобы строить программы действий, обеспечивать общение между людьми и по информации от органов чувств формировать образ действительности.
— Поэтому сейчас принято сравнивать мозг с компьютером, который управляет нашим телом и нашими мыслями. У нас в голове живет вычислительная машина, которая работает хорошо и, между прочим, вне зависимости от наших намерений, — присоединяется к обсуждению Михаил Лебедев, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов. — Представление, что «я это я, и я тут все решаю» иллюзорно — на 99% деятельность мозга нами не осознается, она осуществляется «на автопилоте». Если вы подвигаете рукой, вы даже не сможете сразу, не задумываясь, ответить на вопрос, какие мышцы были задействованы в этом движении. А мозг прекрасно справляется с этой задачей; и он-то хорошо знает, как и какими мышцами ему надо управлять.
— Только наш «мозговой компьютер» не имеет аналогов в мире искусственных вычислительных систем, — продолжает Александр Каплан. — Чтобы понять масштаб проблемы, давайте уточним, что в мозгу человека 86 миллиардов нервных клеток, и каждая из них образует 10–15 тысяч синапсов, контактов с другими нейронами. Эти контакты — операциональные элементы мозга: в них решается, пройдет ли сообщение от одной клетки к другой или нет. Перемножим эти числа и получим, что в мозгу имеется миллион миллиардов операциональных единиц. Для сравнения, в самом современном процессоре — пара миллиардов транзисторов, в миллион раз меньше. Но это еще не все! В компьютерах транзисторы могут находиться в одном из двух состояний: «единичка — нолик». А синапс может иметь 15–20 состояний: переключили один контакт из 13-й в 15-ю позицию — и получили новое состояние мозга. Число таких состояний, если посчитать, превысит число атомов во Вселенной! Так что у меня нет никаких иллюзий в отношении того, насколько мы сейчас понимаем, как работает мозг. О Вселенной у нас между ушей мы не знаем почти ничего.
— Мозг — это бесконечная головоломка, которую нам еще разгадывать и разгадывать, — говорит Алексей Осадчий. — Но все же появляются технологии, которые позволяют извлекать пользу даже из того ограниченного понимания мозга, что у нас есть. Например, мы создаем лекарства от неврологических заболеваний; научились находить ненормально активные участки мозга при эпилепсии. С нейроинтерфейсами так же. Они начинают работать, хотя мы не до конца понимаем, как мозг и компьютер договариваются. Просто если мозг заинтересован в достижении результата, то он включает внутренние механизмы адаптации, сам настраивается на особенности взаимодействия с компьютером — и начинает им управлять.
Как подключиться к мозгу
В 1924 году Ханс Бергер придумал дедушку нейроинтерфейса — электроэнцефалографию. ЭЭГ-обследование сейчас можно пройти почти в каждой поликлинике — оно позволяет регистрировать электрическую активность мозга прямо с поверхности головы, на которую надевают шапочку с электродами, подсоединяют ее к компьютеру и на экране появляются кривые — зашифрованный рассказ о жизни мозга. Сейчас у «электрической шапочки» появились потомки — ЭЭГ снимают с помощью специальных обручей, «бандан» и даже через наушник.
Чтобы войти в контакт с мозгом человека, применяют и другой подход — инвазивный, когда в черепе сверлят небольшие дырочки и накладывают на поверхность мозга кружево из электродов или даже вводят датчики внутрь.
В 1990-е ученые заметили, что когда человек думает о каком-либо движении или объекте, в электрической активности мозга появляются специфические «узоры», которые можно использовать как команду. Алгоритм нейроинтерфейса вылавливает «узоры» определенных типов, расшифровывает и передает к исполнительным устройствам: это может быть и клавиатура, и синтезатор речи, и экзоскелет, да хоть телевизор или чайник. Например, чтобы управляемый силой мысли дрон двинулся вперед, нейропилоту надо сконцентрироваться, назад — расслабиться, рассеять внимание, а чтобы дрон остановился — стиснуть зубы.
Зачем лезть в голову?
Создания нейроинтерфейса в первую очередь потребовала медицина. Пациенты с тотальным параличом не могут даже дать знать о своих желаниях и намерениях. Они мыслят — но этого не видно, они хотят двигаться и общаться — но не могут. Парализованный после инсульта Жан-Доминик Боби в своей книге «Скафандр и бабочка» писал о жажде вырваться из замершего тела: «Есть ли в космосе ключи, чтобы отомкнуть мой скафандр?». Таким ключом стал нейроинтерфейс: с его помощью парализованные пациенты уже могут отчасти вернуть себе утраченный контакт с людьми.
— Нейроинтерфейс — это ведь та самая, из сказок и мифов, мечта человека выражать свои мысли и намерения без помощи речи или движения, — говорит Александр Каплан. — Казалось бы, мы почти у цели: в нашей лаборатории любой человек может сесть за экран компьютера, надеть шапочку с электродами, и нейроинтерфейс позволит ему набирать текст без голоса и движений. Человек фокусирует внимание на нужной букве, а наш алгоритм это улавливает. Так работает НейроЧат. Смысл технологии в том, чтобы помочь общаться людям, которые потеряли речь из-за болезни или травмы.
В марте 2018-го в сети НейроЧат состоялся первый трансконтинентальный сеанс «нейросвязи» между пациентами из России и США. А уже этой зимой система для общения «силой мысли» появится в продаже.
— Нейроинтерфейс помогает парализованным пациентам передвигаться, — добавляет Михаил Лебедев. — При повреждении спинного мозга человек теряет способность двигать ногами или руками, но области мозга, ответственные за движение, находятся в рабочем состоянии, и они, в принципе, могли бы управлять телом. Только для этого сигналу придется обойти место повреждения спинного мозга и прибежать к протезу, экзоскелету или к собственной конечности человека. Таким обходным путем становится нейроинтерфейс. Уже сейчас парализованные пациенты могут с помощью нейроинтерфейсов двигать механической рукой или экзоскелетом: не так давно интернет облетело видео, как с помощью искусственной руки полностью парализованный после стычки с полицией наркодилер попивает кофе. Вообще говоря, приемником команды от мозга может быть что угодно — у нас появляется возможность силой мысли управлять любыми внешними объектами.
— Можно запустить и обратную передачу сигнала — от протеза в мозг. Чтобы искусственная рука сжимала объект, а человек чувствовал, что он жесткий или пушистый, — говорит Алексей Осадчий. — Это не только позволит гораздо эффективнее пользоваться протезом, но и даст человеку ощутить, что эта искусственная рука или нога — «его». Ведь как вы понимаете, что это ваша рука? Да просто потому, что если кто-то вас погладит, вы это почувствуете! Но пока что кодирование ощущений в сигнал, которым можно стимулировать кору мозга, никем не расшифровано. Никто не знает, как вызвать ощущение какой-нибудь «шероховатости» или «мягкости».
Это еще одна суперспособность нейроинтерфейса — возвращать людям утраченные чувства. Так, еще в 1977 году в Вене слуховой нерв впервые соединили с микрофоном и электродами — и появилась кохлеарная имплантация, наполнившая мир звуками для людей с глухотой. Искусственное зрение и осязание значительно моложе, но тоже уже помогают людям почувствовать мир на полную катушку.
— Отчасти нейроинтерфейсы, которые позволяют чувствовать протез, уже созданы, — уточняет Александр Каплан. — Например, в момент прикосновения сенсоры искусственной руки отправляют в кору мозга электрический сигнал, различный для каждого пальца. Мозг достаточно быстро выучивает этот код, и пациент начинает осязать с помощью искусственной конечности. Первый раз такой эксперимент провели в 2016 году: вы только представьте, доброволец, парализованный после аварии, благодаря нейрокомпьютерному интерфейсу впервые за 12 лет смог почувствовать прикосновения к пальцам.
Как стать суперменом
— Еще одна разработка — протез зрения, — говорит Михаил Лебедев. — Существует несколько разработок такого протеза, например искусственная сетчатка. Марк Хумаюн из Университета Южной Калифорнии создал интерфейс, который обнаруживает свет с помощью миниатюрной камеры, преобразует его в электрический сигнал и через электроды на зрительном нерве отправляет этот сигнал в мозг. Протез очень удачно назвали — Аргус, в честь многоглазого великана из греческой мифологии. Такой бионический глаз подарит зрение людям, которые были слепы в течение десятилетий. А если сделать еще шаг вперед? Ведь можно на основе интерфейса вообще дать человеку какое-нибудь новое чувство! Например, магнитное, как у летучих мышей и птиц. Нашей исследовательской группе удалось проделать это с крысами: благодаря специальным электродам в голове они научились видеть инфракрасные лучи.
Здесь мы переходим к другой главе истории будущего. Речь идет уже не о восстановлении утраченных из-за травмы или болезни способностей, а о совершенствовании человека. Наша эволюция не закончилась. Зато она оказалась в наших руках. Наравне с генной инженерией нейроинтерфейс поможет нам раскрыть подлинные возможности человека. Ведь за последние 50–60 тысяч лет способности нашего мозга не изменились, а вот мир вокруг стал совсем другим. Например, мы оказались совершенно не готовы к информационной нагрузке, мозг «перегревается» и перестает справляться. А с нейроинтерфейсом мы создадим себе новую память и новые каналы общения, начнем мысленно сотрудничать с искусственным интеллектом и соединим лучшие умы мира в «сверхразум». И хотя пока что нейроинтерфейсы находятся на старте своих возможностей, почему бы нам не помечтать?
К смелым идеям первым переходит Михаил Лебедев:
— Только представьте, какой получится уникальный симбиоз, если соединить мозг с компьютером: компьютер обладает огромной памятью и вычислительными способностями, да и человек многое умеет. Получится супермен!
— Объединение творческого потенциала мозга человека с силой вычислительных машин действительно могло бы привести к интеллектуальной революции, — осторожно поддерживает идею Александр Каплан. — Это, например, могло бы принципиально изменить характер отношений человека с набирающими все большую мощь системами искусственного интеллекта, сделать их напрямую подчиненными мозгу человека. Ведь независимый искусственный интеллект создает проблемы... Как говорит философ Дэниэл Деннет, такие системы постепенно наделяются полномочиями, «превосходящими уровень их компетентности», и потому могут стать очень опасными. А общаясь мысленно с компьютером при помощи нейроинтерфейса, человек сможет приручить искусственный интеллект — поставить его под «нейроконтроль».
— На основе нейроинтерфейса можно создать и аналог телепатии: объединить нескольких людей в единую систему — сетевой «сверхмозг», — продолжает удивлять Михаил Лебедев. — Идея в том, что если с помощью интерфейса наладить между мозгами связь, то вместе они смогут решать задачи, непосильные для каждого в отдельности. И ведь это тоже не совсем фантастика. На обезьянах мы уже проводили такой эксперимент: три макаки решали задачу с трехмерным движением искусственной руки, но каждая обезьяна могла двигать искусственной лапой только в одной плоскости. Благодаря совместному нейроинтерфейсу макаки обменивались информацией о положении руки и корректировали ее движение. Через некоторое время животные синхронизировались и появился тройной «супермозг», управляющий искусственной конечностью. Можно создать и интерфейс «мозг-мозг», когда сигнал от одного человека передается другому по сети. Так люди смогут пересылать друг другу эмоции. Не просто сказать «мне грустно» или «мне весело» — а буквально почувствовать друг друга.
Чего мы боимся?
Звучит довольно страшно: открыть череп, вставить электроды, пригласить к себе в голову компьютер. Мы и без нейроинтерфейса технике рассказываем почти все: где находимся, с кем дружим, какую еду предпочитаем, какие темы нам интересны. Стоит вбить в Google запрос об отпуске, как в социальных сетях вас начинает преследовать реклама турагентств. Готовы ли мы поделиться еще и мыслями? Ведь окно из мозга в компьютер может быть использовано в любых целях… Вдруг кто-то залезет к нам в сознание? Вот, например, утрированно мрачная картинка ареста будущего: «все, что вы подумаете, может быть использовано против вас».
Есть и другие опасности. Мозг, как показывают эксперименты, принимает решение до того, как мы это решение осознаем, — а иногда мы и вовсе не замечаем, что решение было принято. Поэтому с компьютером он может договориться вообще без нашего ведома. А в нейроинтерфейсе решение мозга тут же перехватывается электронными средствами, передается исполнительным устройствам. И вякнуть не успеешь, как мозг на пару с электродами и проводочками уже что-то наделал!
Наконец, очевидно, что человек в экзоскелете быстрее и сильнее любого спортсмена, а голова с вживленным процессором думает лучше, чем голова без него. Да еще и нейроинтерфейсы по-разному подчиняются людям — кто-то быстрее находит общий язык с компьютером, кто-то медленнее. Так что мы можем столкнуться с новым уровнем неравенства: между киборгами и простыми смертными. Да и вообще не очень понятно, как все эти процессоры в голове, экзоскелеты, механические конечности и органы чувств изменят человека — вдруг мы превратимся в роботов?
Из-за всех этих опасений даже хочется отказаться от заманчивой идеи обзавестись научными аналогами телепатии и телекинеза. Но давайте разберемся.
— Исследования нейроинтерфейса, конечно, могут быть использованы для каких-то ужасных футуристических сценариев. Как и любая технология. Возьмите атомную энергетику или интернет. Они вообще были сделаны из милитаристских соображений, но сейчас это очень мирные создания науки, — начинает успокаивать Алексей Осадчий. — Если мозг не захочет, чтобы его прослушивали, он сделает так, чтобы его не слышали. Может, например, «запечатать» электроды в капсулу из соединительной ткани, так что они перестанут подавать сигнал.
— Бояться, что мы станем киборгами, вообще-то поздно, — переходит к разбору страшилок Михаил Лебедев. — Мы уже срослись с компьютерами, с телефонами. В будущем нас не ждет ничего ужаснее того общения с техникой, что уже есть. Просто сейчас мы используем другие каналы: зрение, слух, пальцы. Перехода на нейроинтерфейс не происходит только потому, что пока что эта технология работает хуже, чем в норме наши руки. Как только удастся их превзойти, мы перейдем к нейроинтерфейсам. Думаю, многие с радостью согласятся на имплантат в мозг. Ведь это так интересно! Станет модным управлять смартфоном через электрод где-то там в голове. Желающие обзавестись встроенными проводочками уже нашлись. Яркий пример — американский ученый Филипп Кеннеди, который добровольно вставил себе в мозг электрод. Некоторые считают его «отцом киборгов», потому что он первым вживил электроды в мозг парализованного человека и дал ему возможность двигать курсор по экрану компьютера. Потом Кеннеди начал работу над созданием голосового декодера, чтобы переводить сигналы мозга, возникающие при мысленном представлении звуков и слов, в речь. Но Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) очень некстати посчитало опыты ученого опасными, лишило его финансирования и запретило эксперименты. Тем не менее Кеннеди в свои электроды уверовал и не мог так просто сдаться, поэтому махнул в Центральную Америку, в Белиз, где сделал себе операцию по вживлению электрода. Во время второй операции к торчащим проводам присоединили электрокатушки и радиопередатчик. После чего Кеннеди несколько недель снимал данные с собственного мозга в процессе произношения и мысленного повторения звуков, коротких слов и фраз. Еще через пару недель ему пришлось удалить запретные электроды, но все же месяц он добровольно прожил как киборг.
— Человек от электрода в голове изменится не меньше и не больше, чем когда пересаживают почку или сердце, — говорит Алексей Осадчий. — Важно понимать, что речь не только о рисках, но и о том, что мы получаем взамен. Например, эпилепсия, помимо всего прочего, оттягивает на себя очень много ресурсов: дети с эпилепсией просто не развиваются. И если на лекарства пациент не реагирует, нас не смущает, когда врачи накладывают электроды на очаг патологического возбуждения или вообще удаляют пятую или десятую часть всего мозга, в которой находится этот очаг! При этом как раз может поменяться личность: человек был мотивированным — стал немотивированным. Зато, как только делают такую операцию, ребенок начинает развиваться. Дорогая ли это цена за полноценную жизнь? И с нейроинтерфейсом то же самое: мы имплантируем чип, чтобы человек смог снова ходить, чтобы он в компании с компьютером лучше думал или чтобы смог управлять четырьмя искусственными руками и производить какие-то супермегасложные операции.
— Еще часто говорят, что такие прогрессивные технологии смогут купить только очень богатые люди. Результат — жуткое неравенство и несправедливость, — продолжает Михаил Лебедев. — Но вспомните появление мобильных телефонов. Поначалу действительно только богатые могли наслаждаться этим новшеством — очень дорогими, громоздкими, неудобными и плохо работающими мобильниками. А когда сотовые уменьшились в размере и стали работать без перебоев, они подешевели и стали доступны всем. Все то же произойдет и с нейроинтерфейсом.
— Нейроинтерфейсы не увеличат неравенство еще и потому, что люди уже очень разные, несмотря на исходно единую конструкцию мозга, — говорит Алексей Осадчий. — Мозги у нас работают по-разному в зависимости от опыта, навыков, окружения. Возьмем, к примеру, ребенка, который играет на скрипке. Этот навык формируется в детстве — и мозг у скрипача не такой, как у меня. Потому что у него из-за этой скрипки образовались определенные участки в коре мозга, которые он как-то по-своему использует. И у искусного столяра, и у художника, и у баскетболиста опыт в буквальном смысле впечатывается в мозг и тем самым формирует уникальную личность. Так почему бы нам не относиться к нейроинтерфейсам как к еще одному типу инструментов — как к рубанку столяра, скрипке музыканта или кисти художника?
РАЗРАБОТЧИКИ НЕЙРОИНТЕРФЕЙСОВ
Александр Каплан
Психофизиолог, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова. Основал первую в России лабораторию по нейрокомпьютерным интерфейсам. Расшифровывая электрические сигналы мозга, ученый ищет способы перевести эти «симфонии ЭЭГ» на язык команд для внешних устройств: клавиатуры, компьютерного монитора, механических протезов. Александра Каплана можно считать Марком Цукербергом в мире нейронауки: последняя разработка его лаборатории — это НейроЧат, социальная сеть на основе нейроинтерфейса.
Михаил Лебедев
Научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов, старший научный сотрудник в Центре нейроинженерии Университета Дьюка. Одни из самых нашумевших открытий Михаила Лебедева состоялись в ходе совместной работы с Мигелем Николелисом в Университете Дьюка, где он с 2002 года руководит рядом исследований. Так, в 2014 году ученые из Университета Дьюка стали известны всему миру благодаря первому удару по мячу на чемпионате по футболу в Бразилии: этот удар совершил парализованный мужчина в экзоскелете, управляемом силой мысли. Михаил Лебедев научил обезьян с помощью нейроинтерфейса управлять искусственными руками и ногами и участвовал в создании brainet, или «мозговой сети» — из мозгов трех обезьян и четырех крыс ученые собрали «супермозг».
Алексей Осадчий
Руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики. Алексей Осадчий придумывает, как подглядеть за внутренним миром человека — за работой мозга. Сейчас в лаборатории биоэлектрических интерфейсов совместно с Михаилом Лебедевым ученый работает над созданием интерфейса двустороннего общения между мозгом и компьютером. Именно на это исследование был выделен мегагрант в 90 миллионов рублей.
