Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск

Все, что мы делаем: ходим, едим, управляем автомобилем, разговариваем или пишем статью – все делается мозгом, но при помощи нервов, состоящих из нейронов, которые, в свою очередь, образуют нервно-мышечные синапсы с миоцитами и заставляют мышцы сокращаться. В результате голосовые связки издают звук, пальцы нажимают на кнопку, а нога отодвигает мешающий камешек.

Но что делать, если из-за гибели периферических нейронов или травмы спинного мозга человек превращается практически в «голову профессора Доуэля» из романа Александра Беляева? Уже в конце XIX века стало понятно, что теоретическая возможность помочь таким людям есть.

В 1875 году британец Ричард Катон сообщил, что сумел пронаблюдать электрическую активность обнаженного мозга у прооперированной собаки. Открытие осталось незамеченным: статья была опубликована в английском научном журнале, а международным языком физиологии в те годы был немецкий. Но 15 лет спустя Адольф Бек заново открыл все то, что узнал Катон, – и понеслось.

В 1912 году электрическую активность мозга собаки удалось уже записать – это сделал Владимир Владимирович Правдич-Неминский. А еще через дюжину лет немец Ганс Бергер, пережив некий «эзотерический опыт» во время Первой мировой, занялся поиском доказательств существования телепатии. И 6 июля 1924 года записал первую электроэнцефалограмму с черепа человека. Так появилась возможность следить за электрической активностью головного мозга, не вскрывая оболочку. Бергер же открыл и первые ритмы мозга – альфа-ритмы. Кстати, как честный ученый, Бергер позже признал, что телепатии таки нет.

Следующий элемент пазла «интерфейс "мозг–компьютер"» подарил нам великий нейробиолог и нейрохирург Уайлдер Пенфилд. Этот ученик Сантьяго Рамон-и-Кахаля, основоположника нейробиологии, сначала занимался изучением глиальных клеток (и стал одним из первооткрывателей олигодендроцитов – клеток, образующих «изоляцию» нейронов головного мозга), а затем увлекся нейрохирургией. Проведя в 1930-х годах сотни операций на мозге, Пенфилд создал концепцию гомункулусов. Стимулируя током участки коры головного мозга пациентов, он построил карты областей, отвечающих за движение тех или иных участков тела (в пропорциональном представлении «мысленного человечка» они образуют моторный гомункулус) и за их чувствительность (сенсорный гомункулус). Так удалось понять природу движения.

В 1964 году Ханс Хельмут Корнхубер и Людер Дееке сумели открыть важнейший элемент – Bereitschaftspotential. Это «потенциал готовности», манифестация на уровне активности головного мозга, свидетельствующая о том, что будущее движение спланировано в дополнительной моторной области коры и готово к исполнению.

Впрочем, еще до этого открытия, в 1960 году, Джо Камия доказал, что человек может по желанию изменять альфа-ритмы, если видит их визуализацию. А эксперименты Эдмонда Девана показали, что, используя альфа-ритм как аналог точки и тире, можно «силой мысли» передавать информацию. Первым словом, переданным таким образом, стало слово «кибернетика», причем на каждый символ уходило около пяти секунд.

Итак, для создания интерфейса «мозг – компьютер» нужна, во-первых, возможность считывать электрическую активность головного мозга. Это может быть, например, «шапочка» для ЭЭГ, но качество снимаемой информации здесь будет весьма низким: слишком много слоев между нейронами и электродами, слишком много шумов и артефактов (моргание, движение кожи головы и т.п.). Или это может быть устройство, вживляемое в мозг: электроды, размещаемые на поверхности коры (электрокортикография), либо имплантируемые в ее толщу. В первом случае интерфейс будет неинвазивным, во втором – инвазивным, ибо требует трепанации черепа. Неинвазивные подходят людям, не нуждающимся в весьма небезопасной трепанации, но они позволяют делать только простые вещи: набрать текст (медленно – так, в 2019 году на самарском «Нейротлоне» участники печатали фразу «Привет, Самара!» за несколько минут, но для полностью парализованного человека и это счастье), управлять электрической инвалидной коляской и т.д. Инвазивные – пока штучный и очень дорогой товар, но только такие интерфейсы могут помочь управлять, например, протезом руки.

Во-вторых, требуется устройство декодирования сигнала. Здесь мы пытаемся вычленить из электрической активности мозга нужные паттерны. А затем пробуем набрать «силой мысли» текст (паттерны, соответствующие букве, о которой думает человек), контролировать протез конечности (паттерны движения в дополнительной моторной области) или управлять инвалидной коляской (паттерны мыслей о движении всего тела).

В-третьих, необходимо устройство управления. Полученные паттерны нужно превращать в команды для устройства набора текста, управления роборукой и т.д.

В-четвертых, требуется система обратной связи. Поскольку человек может менять ритмы мозга, ему нужно дать возможность перестроить свои паттерны так, чтобы компьютер понимал их. А искусственный интеллект позволит машине синхронизироваться с ритмами человека.

Последний штрих в идеальном нейроинтерфейсе, который управляет протезом руки, – тактильная обратная связь.

Когда мы берем со стола ручку, то не задумываемся, насколько сложная система обратной связи здесь задействована. Мы корректируем движение руки, получая визуальный сигнал, а также сигнал проприоцептивного аппарата – мышечного чувства. Взяв ручку, мы дозируем силу сжатия пальцев, получая обратную связь от рецепторов кожи. В случае протеза ничего этого (кроме визуальной обратной связи) нет. Эксперимент показал: чтобы открыть одной рукой спичечный коробок, достать спичку и чиркнуть ею о другой коробок, человеку нужно 5–7 секунд. Но если вколоть в запястье анестетик, лишив руку чувствительности, на ту же цепочку действий уйдет минута. Потому что под контролем одной только визуальной системы сделать такое сложное, как оказалось, движение очень и очень непросто. Тем не менее в последних работах авторам удалось снабдить нейроинтерфейсы (правда, только инвазивные) обратной связью: протез оснащается датчиком давления, сигнал от которого проводится в соматосенсорную кору (тот самый сенсорный гомункулус Пенфилда), и человек «чувствует» свою искусственную руку.

Еще в 2015 году Маск говорил, что через четыре года объединит всех людей в одну сеть при помощи своего «нейрокружева». С тех пор прошло уже шесть лет, и обещания стали намного скромнее. Единой сети все еще нет, хотя кое-что интересное команда Маска за это время действительно показала.

В 2019 году прошла первая презентация технологии Neuralink. Это инвазивный нейроинтерфейс, но вместо твердых электродов в мозг (пока не человека, а крысы) вживляется массив из 3072 электродов, объединенных в 96 нитей толщиной всего 4–6 микрон каждая. Такие тонкие нити очень сложно вживлять в мозг напрямую, поэтому Neuralink разработала специальный стереотаксический инструмент, нейрохирургического робота, который может вводить в мозг шесть нитей (192 электрода) в минуту. По-хорошему, именно этот робот и есть главное достижение компании.

Эксперименты на людях обещали начать во втором квартале 2020 года, однако к этому времени добрались только до свиней. В обновленной версии устройства уже меньше электродов – 1024 вместо 3072, по размеру оно стало меньше монеты, а данные с него передаются в режиме реального времени по беспроводной связи. Тем не менее скепсис ученых по отношению к технологии не исчез.

«Илона Маска вдохновляет идея улучшения работы мозга человека с помощью подключения к нему ИИ. Но нынешний темп разработок в Neuralink недостаточен для воплощения такой мечты. Кроме того, на сегодняшний день нет научных данных, доказывающих возможность существенного усиления функций мозга с помощью расширения канала взаимодействия между мозгом и машиной», – так прокомментировал презентацию руководитель группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ Сергей Шишкин.

А Василия Попкова, старшего научного сотрудника НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ, интересовало другое – биосовместимость таких имплантов. Хорошо известно, что введение любого инородного тела в ткань мозга вызывает реакцию глиальных клеток, которая будет плохо влиять на электроды: «Ученые продемонстрировали свиней, в том числе свинью с извлеченным устройством – мол, вот, можно достать чип, и все будет хорошо. Но это неверно. Мозг реагирует на имплант так же, как на любое инородное тело: пытается его изолировать и уничтожить. Вокруг импланта образуется рубец, в результате воспаления гибнут нейроны. В конечном счете это ведет к потере сигнала от нейронов, а значит, бесполезности импланта, не говоря уже про повреждение мозга. В 2013 году вышло исследование, где ретроспективно анализировали имплантацию матриц Юта – похожих нейроимплантов – 27 обезьянам (а не нескольким свиньям) в течение 17 лет. Половина устройств выходила из строя менее чем за год. Подобных работ довольно много, и результаты у них похожие».

Пока специалисты Илона Маска застряли на уровне создания «швейной машинки» по вживлению электродов в мозг животных, минуя кровеносные сосуды, другие ученые получили более интересные результаты. Например, осенью 2020 года сотрудники лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса впервые испытали на людях двойной протез рук с обратной связью. Доброволец, парализованный Баз Хмелевский, смог не только двигать роботизированными руками, но и ощущать с их помощью прикосновения. Разработчики добавили в устройство искусственный интеллект, который упростит процесс обучения нейроинтерфейса. Параллельную линию проекта назвали «Умное протезирование» – это замкнутая система, которая объединяет ИИ, роботические руки и интерфейс «мозг – компьютер».

Группе австралийских ученых под руководством Томаса Оксли удалось через венозную систему установить считывающий электродный блок вблизи здорового (на момент исследования) двигательного центра головного мозга (прецентральной извилины) у двух пациентов с боковым амиотрофическим склерозом. Несмотря на то что электроды не вводились вглубь мозговой ткани, а удерживались в просвете вены стентом, они достаточно точно собирали импульсы с двигательной коры, а чрескожный инфракрасный декодер, соединенный с мозговым блоком гибким проводом, преобразовывал сигналы в нажатия клавиш виртуальной мыши в операционной системе. Это может стать прорывом: инвазивные интерфейсы, для которых не нужна трепанация черепа.

Кстати, в нашей стране сильные лаборатории тоже есть. В них работают такие крупные ученые, как Михаил Лебедев, Алексей Осадчий, Сергей Шишкин. Обо всех достижениях отечественной и зарубежной науки можно узнать на ежегодной конференции BCISamara, на которую съезжаются ведущие специалисты в области интерфейсов «мозг – компьютер».