Интерфейс мозг-компьютер: сказка станет былью?
Чтение мыслей станет реальностью
Марина Муравьёва, STRF.ru
Можно ли научиться декодировать мысли человека и животных? Реально ли создать приспособления, передающие мысли на машинные устройства и направленно управлять поведением, воздействуя на нейроны головного мозга? На все эти вопросы ведущий российский нейробиолог Константин Анохин, член-корреспондент РАН и РАМН, заведующий лабораторией нейробиологии памяти и отделом системогенеза НИИ нормальной физиологии, отвечает утвердительно. И хотя пока это может казаться фантастикой, но уже ведутся серьёзные исследования по созданию технологий, воплощающих в жизнь эти невероятные возможности.
Впервые за сотни лет у людей появилась возможность исследовать объективные нейронные механизмы разума, интеллекта и мышления. Как говорил Кристоф Кох (Christof Koch), один из ведущих специалистов в области нейробиологии сознания, мы живём в уникальный период истории науки, когда реальностью становятся технологии, позволяющие выяснить, как деятельность объективного мозга приводит к появлению субъективного разума. Мозгомашинные интерфейсы – конкретное воплощение этих возможностей. Обзор научных достижений в этом направлении представил Константин Анохин на лекции в МИФИ «Нейроны и поведение: основы создания мозгомашинных интерфейсов».
Наибольшую известность в области разработки мозгомашинных интерфейсов получили эксперименты бразильского нейробиолога Мигеля Николелиса (Miguel Nicolelis), начатые в конце 1990-х годов. Внедряя в мозг обезьяны несколько электродов, учёный добился поразительной синхронизации движения настоящей руки животного и её роботизированного аналога. Имплантированные электроды обеспечивали двустороннюю связь мозговых клеток обезьяны и датчиков, установленных на роботе. Стоило мартышке сжать в своей руке игрушку, как рука робота в точности повторяла её жест. Таким образом учёные смогли добиться результата использования мозговой деятельности обезьяны для управления роботом. Чтобы эффектно это продемонстрировать, Николелис провёл эксперимент между Японией и США: обезьяна в США мыслит, что она сгибает руку, а механическая рука в Японии совершает эти действия.
В мозг же человека электрод, выполняющий функцию интерфейса, вживили в 2005 году. Это сделала группа учёных во главе с Джоном Донахью (John Donoghue), известным физиологом из Университета Брауна (США) и основателем компании Cyberkinetics Neurotechnology Systems. Пациенту, парализованному после инсульта, в мозг ввели микроэлектроды, при помощи которых компьютер измерял электрические импульсы его мозга и преобразовывал их в команды для управления курсором. Больной представлял, что двигает правой или левой рукой, и курсор на экране монитора перемещался в ту или иную сторону. Функциональность устройства навела учёных на мысль попробовать изготовить механические протезы, управляемые мозгом посредством вживлённых в него электродов.
Учесть каждый нейрон
Если говорить об использовании интерфейсов для декодирования мыслей, то в данном случае, по мнению Константина Анохина, мозгомашинные интерфейсы целесообразно разделять на два вида: «поверхностные» и «глубокие». Первые регистрируют суммарные сигналы с поверхности черепа. Вторые – сигналы от одиночных нейронов мозга, для чего требуется проникновение электродов (устройств с чипами) в глубину мозга.
«Для эффективного использования поверхностных интерфейсов практически не нужно понимать нейрофизиологическую природу мышления, – отмечает Константин Анохин. – Сегодняшние интерфейсы являются яркой иллюстрацией этого тезиса. Мы до сих пор не понимаем природу мышления, однако имеем работающие интерфейсы».
Мыслительные процессы и их кодирование в нервной активности мозга осуществляются с огромной специфичностью: даже рядом расположенные мозговые клетки могут иметь совершенно разную связь с когнитивными аспектами поведения. Американские нейрофизиологи и нейрохирурги во главе с Уильямом Фреем (William Frey) доказали этот феномен экспериментально. Пациентам-эпилепсикам в терапевтических целях имплантировали в мозг микроэлектроды и регистрировали работу отдельных нервных клеток. Когда им показывали сотни разных фотографий, выяснилось, что в передней области гипоталамуса клетки очень специализированы. Например, у одного пациента наблюдалась активация определённого нейрона в момент узнавания изображения знаменитой актрисы. При этом соседний с ним нейрон у того же пациента активизировался только на образ матери Терезы.
Поверхностные интерфейсы регистрируют суммарную активность больших популяций нейронов. А в одном кубическом миллиметре коры головного мозга содержится около 45 тысяч нервных клеток. В связи с этим с помощью поверхностных интерфейсов, какими бы рафинированными они ни были, невозможно достичь детального считывания, декодирования мыслей, считает Константин Анохин. Будущее – за глубокими мозгомашинными интерфейсами.
О чём думают крысы?
Использование глубоких мозгомашинных интерфейсов открывает путь к пониманию мыслительной деятельности животных. Способны ли нейроны мозга животных к мышлению – вопрос, который вызывал оживлённые дискуссии на протяжении многих веков. И вот несколько лет назад учёные смогли приблизиться к разгадке.
Американские нейробиологи Дэвид Фостер (David J. Foster) и Мэтью Уилсон (Matthew A. Wilson) из MIT добились интересных результатов. Они проводили эксперимент: пускали крысу бегать по двухметровому коридору, в концах которого располагались кормушки. Пока крыса бегала от одной кормушки к другой, учёные регистрировали работу огромного количества нейронов. Во время спокойного поведения крысы (после очередного приёма пищи) учёные регистрировали те же самые нейроны, которые активизировались во время подхода к кормушке. Выяснилось, что они активируются вместе, в последовательности, соответствующей их активации во время пробежки. То есть крысы как бы проигрывали в мыслях ситуацию – пробежку от кормушки к кормушке. Причём самая поразительная и нетривиальная вещь заключалась в том, что животное делало это в обратной последовательности (сначала активизируется нейрон, который активировался во время приёма пищи, потом тот, который активировался во время приближения к кормушке и т.д. до самого начала).
«Эти данные свидетельствуют о том, что не только человек, но и животное способно к мысленной активации без выполнения самого процесса, – комментирует Константин Анохин. – Это одно из доказательств (существуют и другие) того, что животное мысленно продумывает, что нужно сделать для получения пищи, и лучше это запомнить для повторения этой же модели поведения в будущем».
Если бы учёные регистрировали один нейрон, то никогда бы не обнаружили определённой взаимосвязи с другими. Значит, декодирование мыслей будет связано с регистрацией большого количества нейронов – до сотни тысяч, а соответственно с развитием и созданием соответствующих устройств.
Чтение мыслей как полёт в Космос
Если пользоваться регистрацией отдельных нейронов, специализированных относительно тех или иных мыслей, желаний, намерений, то возможно эффективно декодировать содержание этих мыслей благодаря феномену когнитивной специализации клеток. Пока это не буквальное чтение мыслей, реализованное в виде практической технологии. Тем не менее, принципиальная возможность такого явления доказана.
«Я бы сравнил демонстрацию опытов по чтению мыслей с первой фазой космического проекта, – говорит Константин Анохин. – Проблема космических путешествий пока не решена: пройдут десятилетия, прежде чем люди будут свободно перемещаться с одной планеты на другую. Но выход человека в космос свидетельствует, что это возможно. Аналогично и с декодированием мыслей. Эксперименты показывают, что не существует теоретического запрета для выполнения этих задач. Всё остальное зависит от времени и развития технологий».
Важнейшие решения в этой области – разработка технологий, которые будут соединять задачи построения интерфейсов и изучения глубоких процессов активности отдельных клеток головного мозга. Именно это сделает возможным считывание мыслей как объективный процесс.
В России работы по созданию мозгомашинных интрефейсов начались в 2003-2004 годах. Это направление активно развивается. Но в основном, разрабатываются поверхностные интерфейсы. С глубокими, по словам г-на Анохина, пока не работает ни одна российская лаборатория. Это направление планируют начать развивать в НИИ нормальной физиологии РАМН.
«По настоящему интересная наука – та, которая не вылечивает никаких заболеваний и не приносит никаких денег, – говорит Константин Анохин. – Мысль учёного всегда стремится вверх, за горизонты, в те области, в которые ещё не протоптаны пути и не проложены дороги, которые далеки от практического воплощения. Но работа в области мозгомашинных интерфейсов как раз и интересна тем, что дистанция между технологическими задачами и глубокими фундаментальными исследованиями практически нулевая. Технологии – стимул для познания работы мозга».