Возможно ли управлять курсором или роботом силой мысли? Как создаются современные интерфейсы «мозг — компьютер» и какими они смогут стать в ближайшем будущем?
В медиазале Ельцин Центра 19 июня выступил эксперт в области нейронаук и нейротехнологий Михаил Лебедев — профессор Сколковского института науки и технологий, директор Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени В. Зельмана. Он рассказал о работе по декодированию сигналов мозга и созданию эффективных нейроинтерфейсов, о проблемах, которые стоят перед учёными, и перспективах, если эти проблемы удастся преодолеть.
Mind-body problem
— Мозг составляет нашу сущность и является основой нашего сознания и души. Но как «вода» нашего мозга превращается в «вино» нашего сознания? — начал лекцию исследователь. — Философы и учёные давно бьются вокруг этого вопроса и разделили его на две «проблемы сознания» — простую и сложную.
«Простая проблема сознания» — описание того, как работает мозг.
«Сложная проблема сознания» — вопрос, откуда берутся субъективные ощущения.
Пока учёные оставили вторую в стороне и сосредоточились на первой. Физиолог Иван Павлов писал, что естествоиспытателю вообще не следует задаваться вопросами о внутренних состояниях исследуемого существа. Создатели нейроинтерфейсов пошли этой же дорогой.
— Мы мало что знаем о мозге и сознании, но тем не менее подходим к вопросу практически. Пусть наши знания ограничены, но это не помешает нам подсоединиться к мозгу, считать с него информацию и использовать её в полезных целях или для удовлетворения любопытства, — говорит Михаил Лебедев.
Типичный нейроинтерфейс занимается тем, что записывает сигналы мозга, которые передаются на декодирующий алгоритм, а тот в свою очередь извлекает из активности мозга сигналы, которые будут нам полезны.
Примером такого интерфейса может служить «идеальная» механическая рука — мозг управляет её движением, на руке есть сенсоры, сигналы которых можно отправлять обратно в мозг. Упражняясь с этой рукой, человек учится пользоваться ею как своей собственной. Это основная задача создателей медицинских нейроинтерфейсов — помогать людям, которые лишились органов, обрести их вновь.
История нейроинтерфейсов
Один из первых нейроинтерфейсов создал в 1963 году американский нейрофизиолог Грей Уолтер. Учёный продемонстрировал, что может соединить мозг своих пациентов с электродами в моторной коре с проектором слайдов. Он просил их нажимать на кнопку и переключать изображения. При этом в мозге развивался достаточно сильный потенциал готовности — и Грей Уолтер смог отключить кнопку и подключить потенциал готовности к проектору слайдов. Таким образом, испытуемые переключали картинки уже без нажатия на кнопку.
Дальнейшее развитие нейроинтерфейсов связано с компьютерами — термин «нейрокомпьютерный интерфейс» предложил в 1973 году Жак Видаль. Интерфейс основывался на вызванных потенциалах: в маленькой комнате сидел испытуемый, с него считывались сигналы, а громадный компьютер в соседнем помещении эти сигналы расшифровывал.
В СССР также велись работы по данной тематике: в 1972 году в статье «Биоэлектрическое управление» были описаны концепт биоэлектрического протеза руки и схема управления искусственным дыханием, которое запускалась сигналами межрёберных мышц.
В это же время получила развитие техника инвазивной записи активных нейронов при помощи электродов, вживлённых в мозг. Пионером стал американский нейробиолог Эдвард Эвартс, опробовавший этот метод на обезьянах.
Животному в моторную кору был вживлён электрод. Обезьяна сжимала в руке рычаг, с помощью которого управляла движением курсора на экране. За успешное поведение она получала фруктовый сок. Каждый раз на совершение одного и того же действия считываемый нейрон реагировал похожим образом. Из чего исследователь сделал вывод: если сигнал с нейрона активен, вероятнее всего, обезьяна совершает требуемое движение.
Эксперименты Эвартса развил нейробиолог Апостолус Джеорджополус — он выявил зависимость активности нейрона от направления движения обезьяньей руки. По итогам исследований и экспериментов нейробиологов был сформулирован важнейший принцип: любой нейрофизиологический результат можно использовать в дизайне нейроинтерфейса.
Больше электродов и проблема инкапсуляции
Для дальнейшего развития технологии было необходимо имплантировать как можно больше электродов в мозг обезьяны. Пионером в этой сфере стал нейробиолог Джон Лилли. Он одновременно замерял активность нескольких нейронов, пока подопытное животное двигало кистью, и благодаря этому ему удалось декодировать движение руки обезьяны.
Обезьяны нужны нам, если мы хотим помогать людям восстанавливать сенсорные и моторные функции, — говорит Михаил Лебедев. — Прежде чем приступать к работе с людьми, для начала хорошо бы проэкспериментировать на обезьянах. Исследователь привёл примеры из собственной практики.
— Мы имплантировали обезьяне электроды с большим количеством проводов. В более продвинутых версиях «шапочка» была напечатана на 3D принтере. Таким образом мы смогли записывать около 700 нейронов из мозга обезьяны, которая выполняла определённые задачи с помощью двух виртуальных «рук». Наша группа показала, что обезьяна может управлять роботом и выполнять простейшие задачи — «дотянуться и схватить». Впрочем, нейроинтерфейс пока не дотягивает до того, как мы могли бы выполнять задачи в норме.
Наконец, в недавнем прошлом электроды были имплантированы людям с нарушениями двигательной активности. Это сделали учёные из группы Донохью-Шварца. Парализованные пациенты могли силой мысли управлять роботом, подносившим чашку кофе ко рту, — для них это был огромный шаг вперёд.
В настоящее время «Матрицу штата Юта» — разрешённый для имплантации в мозг человека набор электродов и датчиков — используют около 30 человек.
Главным препятствием к дальнейшему развитию нейроинтерфейсов сегодня является так называемая «проблема инкапсуляции». Со временем мозг начинает отторгать вставленный в него электрод, окружая его соединительной тканью. Качество записи снижается, и через несколько недель электроды уже не записывают отдельные нейроны.
Как декодировать сигналы мозга?
Чтобы декодировать сигналы мозга, надо знать код, — говорит Михаил Лебедев. — Есть ли в мозге код наподобие азбуки Морзе? Вполне вероятно, но, пока «азбуку Морзе мозга» не разгадали, мы используем принципы, которые позволяют нам категоризировать его активность.
Калифорнийский учёный Джером Леттвин ещё в 1969 году ввёл термин «клетки бабушки» для описания гипотетических клеток, которые настолько специфичны, что срабатывают только тогда, когда вы смотрите на лицо вашей бабушки. Если бы мы могли записывать сигнал этой гипотетической клетки, то мысль о бабушке давала бы на сенсоре сигнал «1», а все другие мысли, в которых бабушка бы не фигурировала, — «0».
В идеале этот принцип учёные хотели бы применить к декодированию любой мозговой активности. Но, к сожалению, он срабатывает не всегда: обычно мы записываем какой-то шум и не можем понять, что именно кодирует этот конкретный нейрон. Здесь на помощь исследователям приходит теория Апостолуса Джеорджополуса, согласно которой декодирующим принципом является анализ популяционного вектора нескольких нейронов.
Реагируя на движение руки обезьяны, нейрон может с некоторой ошибкой кодировать направление этого движения. Но если мы возьмём несколько нейронов, вся эта популяция поможет нам отследить движение конечности, тем более что учёные накопили багаж знаний по активности нейронов в разных ситуациях. На основании этого принципа было разработано несколько декодирующих алгоритмов — фильтр Калмана, LSTM и другие.
Искусственные ощущения и нейрореабилитация
Учёные научились не только декодировать сигналы мозга, но и передавать обратно в мозг искусственные ощущения — без этого интерфейс «мозг-машина-мозг» был бы неполным.
В одном из экспериментов обезьяна управляет виртуальной рукой, и, когда она касается предметов, электрическая стимуляция определённых участков коры, генерируемая учёными, вызывает у неё тактильные ощущения.
По словам Михаила Лебедева, этот эксперимент открывает путь к созданию нейропротезов с искусственными ощущениями.
— Скоро мы увидим много примеров сенсорных интерфейсов. Уже наблюдается большой прогресс в восстановлении слуха, бурно развивается зрительный интерфейс P300: на очки устанавливается видеокамера, сигнал с которой подаётся на зрительную кору.
Также в процессе разработки находится нейроинтерфейс для ходьбы — это позволит в будущем создать экзоскелеты, управляемые мозгом. Их можно будет использовать для реабилитации больных с инсультом или микротравмами — пациент погружен в виртуальную реальность, а электрические сигналы его мышц и мозга подаются на экзоскелет.
Следующие предполагаемые шаги в развитии реабилитационных нейроинтерфейсов: стимуляция спинного мозга, движение двумя виртуальными или механическими руками одновременно, создание интерфейса для восстановления обоняния (что актуально для многих, кто перенес Covid-19), декодирование письма и т. д.
Кроме того, нейроинтерфейсы возможно будет использовать для исследований сознания — например, если человек лежит в коме, его можно будет подключить к машине и понять, что его сознание не совсем ушло и восстанавливается.
Михаил Лебедев отметил, что последствием работы над нейроинтерфейсами может стать развитие электроцевтики — альтернативы фармакологическому подходу. Возможно, для лечения депрессий и сложных психиатрических проблем лучше будет стимулировать определённые зоны мозга током, чем оказывать неспецифическое воздействие химикатами, имеющими побочные эффекты.
