Не так давно в СМИ появилась новость: Илон Маск собирается в 2021 году добиться прорыва в еще одной области – разработке интерфейсов «мозг – компьютер». Давайте посмотрим, чего же Маск хотел, что сделал и что сможет сделать. И что вообще такое эти интерфейсы.
В первом и пока единственном руководстве по интерфейсам «мозг – компьютер» классик жанра Джонатан Вольпоу дал такое определение BCI: «Технология, которая позволяет человеку научиться передавать коммуникационные и управляющие команды внешним объектам без участия нервов и мышц». Никакого чтения мыслей.
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.
Немного истории
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.
Nissan уже вовсю разрабатывает технологию управления типа «мозг – автомобиль» (B2V). Новый интерфейс позволит управлять машиной буквально силой мысли. Система, считывающая поступающие от мозга сигналы, способна нажать на педаль газа или повернуть до того, как это сделает сам человек. Технология строится на методе электроэнцефалографии: на голову водителя надевается шапочка с электродами, которая регистрирует активность головного мозга, а искусственный интеллект расшифровывает сигналы.
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.
Инструкция по изготовлению
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.
Робот-хирург разработан Neuralink в партнерстве с Woke Studio. Робот отрезает фрагмент черепа размером с монету, вставляет в мозг устройство и приклеивает вырезанный фрагмент обратно.
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.