Нейрокомпьютерные интерфейсы: как "взломать" человеческий мозг

Человек все глубже погружается в digital-вселенную, и в ней органы чувств, прекрасно работающие в физическом мире, кажутся архаичными и недостаточными. Тем временем ученые всерьез рассматривают возможность прямого подключения мозга человека к глобальным цифровым сетям.

Архаичный интерфейс

Мозг — это компьютер. Во всяком случае, рассматривая задачу создания нейрокомпьютерного интерфейса, мы можем считать именно так. Этот компьютер очень мощный по своим рабочим характеристикам и удивительно энергоэффективный. Так, потребляемая мощность знаменитого компьютера Watson, который может отвечать на некоторые вопросы на естественном языке, составляет 85 000 ватт, а мозга человека — 20–30. При этом, конечно, возможности Watson несравнимо скромнее возможностей мозга.

Тело человека пронизано нервной системой. Она включает в себя нервные волокна (провода), рецепторы (датчики), локальные процессоры (например, спинной мозг). Нервная система доставляет головному мозгу, как центральному процессору, информацию быстро и точно. Внутренняя "периферия" работает хорошо.

Как у всякого компьютера у мозга есть порты ввода-вывода, через которые он получает данные от внешнего мира. Порты ввода — это органы чувств человека. И они тоже работают хорошо, хотя и не всегда достаточно быстро. А вот с портами вывода дела обстоят много хуже. В основном за функции вывода отвечают: голос (в первую очередь речь) и конечности (в первую очередь руки).

Если человек потеряет свои "порты вывода", например, из-за тяжелой травмы, он фактически окажется замкнутым внутри самого себя и утратит бóльшую часть возможностей коммуникации с внешним миром.

Но даже если у человека все в порядке и с руками, и с речью, все равно эти "порты" вывода работают на архаичном уровне — медленно и неточно. Мы все время ошибаемся: говорим не то, что что собирались, опечатываемся при вводе текста, сбиваем чашку со стола или роняем или чашку собьем со стола, или мобильник уроним… При этом мы постоянно подозреваем (и не без оснований), что в нашей голове хранятся редкие сокровища, к которым мы получаем доступ только время от времени, и не всегда возможность такого доступа подчиняется нашим желаниям.

Почему проблема нейрокомпьютерного интерфейса так обострилась сегодня, почему "порты ввода-вывода" мозга человека стали выглядеть архаично, как пишущая машинка или чтение вслух? Потому есть чему (кому?) принять информацию в гораздо более продвинутом виде — быстрее и точнее, чем это умеет человек. И тот, кто вступил в диалог, — это компьютер, присоединенный к глобальной сети.

Как заглянуть внутрь мозга

Весь XX век человек пытался заглянуть в мозг, то есть создать дополнительные порты вывода информации, которая там хранится, обрабатывается, преобразуется. Это трудно сделать, потому что мозг на такой "несанкционированный доступ" не рассчитан и информация хорошо защищена от проникновения извне. И даже если мы пробиваемся к данным, "записанным" в мозге, "дополнительные порты" дают нам лишь что-то вроде доступа к жесткому диску, где находятся зашифрованные файлы — в результате нам приходится по косвенным признакам догадываться о том, что же на самом деле мы обнаружили. Помогает то, что информация постоянно меняется, и когда известно, почему она меняется (например, потому что мы сами создаем внешние раздражители), то, сравнивая "дампы данных" о состояниях мозга, мы регистрируем перемены и иногда что-то понимаем.

Впервые шанс такого "взлома" появился благодаря Хансу Бергеру (Hans Berger), который в 1924 г.  сумел зарегистрировать электрическую активность мозга человека. В своих первых опытах он вводил серебряные электроды под кожу головы испытуемого, замерял напряжение электрического поля и выводил данные на осциллограф. Бергер зарегистрировал волну с частотой 8-13 герц. Теперь она называется альфа-волной, или волной Бергера, а сам разработанный ученым метод получил название ЭЭГ (электроэнцефалография) и с тех пор активно применяется при исследованиях мозга.

ЭЭГ относится к так называемым "неинвазивным" методам исследования мозга, то есть их применение не требует оперативного вмешательства (как, например, при вводе электродов напрямую в мозг). Из-за этого ЭЭГ теряет в точности, но зато может быть использовано не только в лаборатории, но и в полевых экспериментах, когда испытуемый находится в более-менее нормальной обстановке.

Российские нейробиологи, работающие над проектом NeuroG, в своих экспериментах используют датчики ЭЭГ, в принципе похожие на датчики Бергера, но несравнимо более чувствительные. В этих экспериментах датчики крепятся на голове испытуемого, и ученые по сигналам ЭЭГ с хорошей точностью определяют, какой зрительный образ (из фиксированного набора) представляет себе испытуемый.    

Следующий (сравнимый с открытием Бергера) шаг был сделан в 1973 г., когда в журнале Nature была опубликована статья профессора химии Университета штата Нью-Йорк Поля Лотербура (Paul Lauterbur) "Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса". Эта публикация имела важные последствия для всего человечества, поскольку именно она послужила толчком для развития методов магнитно-резонансной томографии (МРТ). МРТ позволила увидеть без оперативного вмешательства, как выглядит живой человек внутри и какие процессы происходят в его организме. И конечно, ученые сразу же начали применять МРТ при исследованиях мозга. Постепенно совершенствуясь, МРТ позволила в режиме реального времени наблюдать потоки крови в мозге. Это дало возможность увидеть реакции мозга на внешние раздражители. Оказалось, что мозг реагирует вполне функционально: та зона мозга, которая интенсивно работает в данный момент, получает более мощное кровоснабжение.

ЭЭГ и МРТ дают картину мозга в очень низком разрешении. Фактически, мы видим, что происходит с целыми регионами мозга – с миллионами нейронов. Если ввести в мозг электроды, мы получим высокоточную картину, но очень небольшого количества нейронов — не более тысячи. А ведь в мозгу 100 миллиардов нейронов, и более триллиона синапсов — межнейронных соединений. Чтобы исследовать мозг более детально, нужны новые методы.

Какие методы и инструменты исследования мозга кажутся сегодня ученым наиболее перспективными? Например, предлагается помещать в нейроны наночастицы, реагирующие на изменение электрического потенциала. При изменении состояния нейрона потенциал меняется, и наночастица начинает излучать — ее излучение можно зарегистрировать и вывести карту активности на монитор.

Другой метод получил название "молекулярный телеграф". При делении клетки (например, нейрона) двойная спираль ее ДНК расплетается, и по ней "бежит" (лучше сказать "летит", потому что за минуту обрабатываются миллионы нуклеотидов) белок ДНК-полимераза. Этот белок по готовой ДНК, как по образцу, строит ее копию. Можно создать особые условия, при которых при повышении активности нейрона ДНК-полимераза будет делать ошибки, то есть новая ДНК будет отличаться от образца.

Допустим, ДНК представляет последовательность букв: agctagctagctagct… Белок начинает свою работу и делает копию первых четырех букв: agct. Но в этот момент нейрон возбуждается, и белок делает серию ошибок — ставит вместо тех букв, которые есть в образце, последовательность ЕЕЕЕ, потом нейрон успокаивается, и белок опять работает нормально: agct. Затем следует новый всплеск активности и т.д. Прочитав полученную строчку и зная, сколько времени нужно на копирование одной буквы, мы будем точно знать все моменты времени, в которые нейрон был активен: agctEEEEagctEgcE… Это действительно похоже на телеграф.

Методы, описанные в этой главке, как раз и должны обеспечить работу новых "портов вывода" мозга. Но ведь эту информацию нужно еще адекватно передать по сети, и очень хотелось бы, чтобы эту информацию был способен воспринять другой мозг.

Нейронет

В октябре 2014 г.  РВК провела экспертный семинар "Дорожная карта Нейронета", посвященный проблемам создания сети Нейронет, соединяющей мозг человека и компьютерную сеть. В семинаре участвовали ведущие специалисты по компьютерным интерфейсам из разных университетов мира.

Михаил Лебедев из университета Дюка представил эксперименты, поставленные на обезьянах. Обезьяне вводят пучок электродов в мозг (максимальный кластер 128 электродов) и регистрируют сигналы, возникающие в нейронах, когда обезьяна управляет джойстиком. Цель обезьяны — кликнуть мышкой по правильной иконке на экране: тогда в стакан наливается вкусный сок, который обезьяна очень любит. Сигнал, возникающий в нейронах обезьяны, записывается и обрабатывается, в нем выделяют движения рук, нажатие клавиш и т. д., то есть некоторые элементарные операции, которые совершает обезьяна, управляющая джойстиком. В какой-то момент, когда распознавание действий обезьяны становится достаточно устойчивым, джойстик отключают от компьютера. Обезьяна продолжает управлять отключенным джойстиком, но сигнал считывается непосредственно с нейронов, к которым подсоединены электроды, и передается на компьютер по беспроводному соединению. Оказывается, что очень скоро обезьяна вносит необходимые коррективы в свои действия (сигнал, передаваемый через электроды, все-таки отличается от того, который возникает при движениях рук и пальцев обезьяны, управляющей джойстиком, подключенным к компьютеру), и начинает столь же успешно кликать по иконке и получать заслуженную награду. В другом эксперименте обезьяна управляла удаленным роботом. Сигналы мозга, сопровождающие движения лап обезьяны, передавались по сети удаленному роботу, который снабжен специальным адаптером. Этот адаптер получал информацию от мозга обезьяны и преобразовывал его в сигнал, управляющий роботом: когда обезьяна сгибала лапу — робот сгибал ногу, когда обезьяна делала шаг — робот делал то же самое. То есть он ходил, в точности следуя за сигналами мозга обезьяны. Это и есть некоторая пока еще довольно грубая схема Нейронета.

 Для создания Нейронета нужно научиться передавать по сети информацию, считанную из одного мозга, другому мозгу. Анатолий Левенчук, президент TechInvestLab, член INCOSE, полагает, что для этого необходимо разработать  специальный протокол, который он назвал "Нейровеб". Этот протокол будет работать поверх сетевого протокола TCP/IP примерно так же, как работает протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol, или веб), только передавать Нейровеб будет не гипертекстовые страницы (HyperText), а некую другую информацию — состояние и активность мозга. То есть Нейронет – это: TCP/IP + Нейровеб.

При передаче информации по Нейровебу должна передаваться принципиально другая информация, не та, что передается по обычному вебу. По вебу передается результат деятельности мозга — текст, изображение, видео, то есть некоторый объект, полностью отчужденный от его создателя. При нейровеб-соединении мы получаем совсем другую возможность — мы, как говорит Анатолий Левенчук, можем передать "щелчки", возникающие в физической нейронной сети.

Мы не можем четко сформулировать, что эти щелчки значат: может быть, это мысли? Но мы ведь не знаем, что такое мысли. Мы знаем только, что такое "слова", которые от мыслей уже отчуждены. Если нам удастся не передать информацию (как завершенный "снимок" деятельности мозга), а присоединить мозг к Нейровебу, возникнет реальная возможность "со-мышления", совместной работы, как естественных, так и искусственных нейросетей. Это соединение позволит двум разным людям думать об одном, не привлекая архаичные интерфейсы типа письма и чтения. К совместно думающим субъектам можно будет присоединить искусственные сети и использовать их возможности по вычислениям и поиску информации, а с этим они справляются лучше человека.

Евгений Кузнецов, заместитель генерального директора — директор проектного офиса РВК, отметил, что, начиная работу в новой области, мы должны очень внимательно оценивать все риски: "Каждое технологическое развитие приносит опасные вещи. Например, 3D-принтинг приносит массовое распространение оружия". Интернет принес не только благо, но интернет-кражи и кибертерроризм, огромную вирусную индустрию, которая не собирается сдаваться. В случае Нейровеба риски будут несравнимо выше, будет ли человек присоединяться к сети с помощью имплантов (что на сегодня является наиболее вероятным) или будут разработаны новые, неизвестные сегодня неинвазивные технологии (подобные ЭЭГ или совсем другие). Если мы даем вход в свой мозг информации из глобальной сети, мы должны быть абсолютно уверены, что нам не навредят.

Евгений Кузнецов отметил, что "бан на клонирование", который был законодательно принят во многих странах, оказал отрезвляющее воздействие на исследователей. И, в конечном счете, заставил искать более точные и убедительные аргументы. Вовремя поставленное ограничение очень важно.

Мы очень быстро идем по пути "взлома" созданных эволюцией защитных механизмов личности и тела. Мы занимаемся несанкционированным доступом. Природа мозга может оказаться не готова к таким интерфейсам.

По оценке Михаила Лебедева, через 5 лет подключения человека к глобальным сетям станут доступны богатым людям, через 10 — Нейронет станет доступным товаром: "А через 15 лет я займусь чем-нибудь другим".

Анатолий Левенчук предположил, что количество электродов, подключаемых к нейронам мозга, будет расти по закону Мура — то есть удваиваться каждые два года. И очень скоро достигнет десятков тысяч соединений, что радикально повысит точность считывания сигнала с нейронных сетей головного мозга человека.

Евгений Кузнецов, подводя итоги обсуждения проблем и перспектив Нейронета, был более сдержан в оценках: "Мы относимся к этим проблемам предельно конкретно. Мы хотим внушить нашим коллегам из госструктур, из госкомнаний, что надо уметь делать большие ставки. Те страны, которые удачно ставят — выигрывают. На наш взгляд, нейронауки — это как раз то, на что можно делать ставку. Мы близки к прорыву, хотя, может быть, он произойдет не через 10 лет, а через 20 или 50. Может быть, какие-то технологические, или социальные, или биологические проблемы нас остановят. Это пока непонятно. Но рано или поздно это точно сработает ".

Нейропротезирование

В предыдущих главках мы говорили о новых "портах вывода" — прямого доступа к информации, хранящейся и преобразующейся в нейронах мозга, и о передаче этой информации по сетям Нейровеба. Необходимо сказать несколько слов и о "портах ввода".

Еще в 1957 г. возникла идея создания протезов, которые могли бы помочь при некоторых видах глухоты. В ухе человека происходит преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы. Эти импульсы передаются по слуховому нерву в центр обработки звука. Процесс преобразования происходит с помощью "волосков" — тонких и высокочувствительных отростков в ушной улитке. Эти волоски нередко, особенно к старости, повреждаются и перестают выполнять свою функцию. Идея протеза проста: давайте выведем к ушной раковине (обычно на висок) микрофон и проведем провод прямо к слуховому нерву. Тогда электрический сигнал от микрофона пойдет мимо волосков, и человек будет слышать. Прошло несколько десятилетий, пока такое устройство — кохлеарный имплант — довели до ума и стали применять на практике. В принципе, оно так и работает. Если теперь мы расширим возможности микрофона доступом в сеть — такое устройство позволит слушать интернет-радио. Это пример интерфейса сеть-мозг. И он работает. Сегодня установка кохлеарных имплантов — это довольно развитая индустрия: ими пользуется более 300 тыс. человек в мире.

Естественно, этот имплант помогает не при всех видах глухоты: в случае поражения слухового нерва имплант не поможет. После установки импланта пациент не начинает сразу отчетливо слышать — ему надо учиться, мозг довольно долго адаптируется к новому интерфейсу. Если человек несколько лет провел в "полной тишине", имплант также помогает не всегда — слуховой нерв атрофируется. Но врачи часто советуют и после нескольких лет тишины рисковать и ставить импланты — в большом проценте случаев мозг развивает слуховой нерв буквально заново.

Примерно так же, как и кохлеарный имплант, действуют импланты, "подменяющие" зрение: сигнал с видеокамеры направляют прямо на зрительный нерв. Хотя таких имплантов немного, и каждый — это уникальная проблема и большая победа.

Здесь мы видим, как сегодня развивается интерфейс сеть—мозг: мы усовершенствуем или заменяем наши органы чувств, мы не вторгаемся в мозг глубоко, а используем его собственные интерфейсные возможности.

Но есть и более радикальные примеры. При болезни Паркинсона в мозг вводят электрод, и электрическая стимуляция часто оказывается очень полезной. Ввод электродов в мозг при болезни Паркинсона и при некоторых других расстройствах – это нормальная лечебная практика. Этот интерфейс природой не предусмотрен.

Мы видим, что электрическая стимуляция при болезни Паркинсона помогает, но мы довольно смутно себе представляем, почему она помогает. Мы знаем, что кохлеарный имплант позволяет человеку слышать, но мы не знаем, почему побочным эффектом при таком имплантировании бывает потеря вкуса.

Но мы все глубже погружаемся в мозг, и все больше о нем узнаем. Так что есть уверенность, что Нейронет – это не сказка, а реальное будущее технологий.   

Владимир Губайловский

rbc

Опубликовано на сайте: 2014-12-14