Как соединить человеческий мозг и компьютер

Представьте себе экспериментальный нанонаркотик, который способен связывать сознания разных людей. Представьте, как группа предприимчивых нейробиологов и инженеров открывает новый способ использования этого наркотика – запустить операционную систему прямо внутри мозга. Тогда люди смогут телепатически общаться между собой, используя мысленный чат, и даже манипулировать телами других людей, подчиняя себе действия их мозга. И несмотря на то, что это сюжет научно-фантастической книги Рамеза Наама «Нексус», описанное им будущее технологий уже не кажется таким далеким.

Как подсоединить мозг к планшету и помочь парализованным больным общаться

Для пациента T6 2014 стал самым счастливым годом жизни. Это был год, когда она смогла управлять планшетным компьютером Nexus с помощью электромагнитного излучения своего мозга и буквально перенестись из эры 1980-х с их диско-ориентированными системами (Disk Operating System, DOS) в новых век андроидной ОС.

T6 – женщина 50 лет, страдающая боковым амиотрофическим склерозом, известным также как болезнь Лу Герига, которая вызывает прогрессирующее повреждение двигательных нейронов и паралич всех органов тела. T6 парализована почти полностью от шеи и вниз. До 2014 года она абсолютно не могла взаимодействовать с внешним миром.

Паралич может наступить и от повреждений костного мозга, инсульта или нейродегенеративных заболеваний, которые блокируют способность говорить, писать и вообще как-либо общаться с окружающими.

Эра интерфейсов, связывающих мозг и машину, расцвела два десятилетия назад, в процессе создания ассистивных устройств, которые бы помогли таким пациентам. Результат был фантастическим: слежение за взглядом (eye-tracking) и слежение за положением головы пользователя системы (head-tracking) позволили отслеживать движения глаз и использовать их как выходные данные для управления курсором мыши на экране компьютера. Иногда пользователь мог даже кликать по ссылке, фиксируя свой взгляд на одной точке экрана. Это называется »время задержки».

Тем не менее, системы eye-tracking были тяжелы для глаз пользователя и слишком дороги. Тогда появилась технология нейронного протезирования, когда устраняется посредник в виде сенсорного органа и мозг связывается с компьютером напрямую. В мозг пациента вживляется микрочип, и нейросигналы, связанные с желанием или намерением, могут быть расшифрованы с помощью сложных алгоритмов в режиме реального времени и использованы для контроля курсора на интерфейсе компьютера.

Два года назад, пациентке T6 имплантировали в левую сторону мозга, отвечающую за движение, 100-канальную электродную установку. Параллельно Стэнфордская лаборатория работала над созданием прототипа протеза, позволяющего парализованным печатать слова на специально разработанной клавиатуре, просто думая об этих словах. Устройство работало следующим образом: встроенные в мозг электроды записывали мозговую активность пациентки в момент, когда она смотрела на нужную букву на экране, передавали эту информацию на нейропротез, интерпретирующий затем сигналы и превращающий их в непрерывное управление курсором и щелчками на экране.

Однако этот процесс был чрезвычайно медленным. Стало понятно, что на выходе получится устройство, работающее без непосредственного физического соединения с компьютером через электроды. Сам интерфейс тоже должен был выглядеть интереснее, чем в 80-х. Команда клинического института BrainGate, занимающаяся этими исследованиями, поняла, что их система «указания и щелчка» была похожа на нажатие пальцем на сенсорный экран. И поскольку сенсорными планшетами большинство из нас пользуется каждый день, то рынок их огромен. Достаточно просто выбрать и купить любой из них.

Парализованная пациентка T6 смогла «нажимать» на экран планшета Nexus 9. Нейропротез связывался с планшетом через протокол Bluetooth, то есть как беспроводная мышь.

Сейчас команда работает над продлением работоспособности имплантата на срок всей жизни, а также разрабатывает системы других двигательных маневров, таких как «выделить и перетащить» и мультисенсорные движения. Кроме того, BrainGate планируют расширить свою программу на другие операционные системы.

Компьютерный чип из живых клеток мозга

Несколько лет назад исследователи из Германии и Японии смогли симулировать 1 процент активности человеческого мозга за одну секунду. Это стало возможным только благодаря вычислительной мощности одного из самых сильных в мире суперкомпьютеров.

Но человеческий мозг до сих пор остается самым мощным, низко энергозатратным и эффективным компьютером. Что если бы можно было использовать силу этого компьютера для питания машин будущих поколений?

Как бы дико это не звучало, нейробиолог Ош Агаби запустил проект «Конику» (Koniku) как раз для реализации этой цели. Он создал прототип 64-нейронной кремниевой микросхемы. Первым приложением этой разработки стал дрон, который может «чуять» запах взрывчатых веществ.

Одой из самых чутких обонятельных способностей отличаются пчелы. На самом деле, они даже перемещаются в пространстве по запаху. Агаби создал дрон, который не уступает пчелиной способности распознавать и интерпретировать запахи. Он может быть использован не только для военных целей и обнаружении бомб, но и для исследования сельхозугодий, нефтеперерабатывающих заводов – всех мест, где уровень здоровья и безопасности может быть измерен по запаху.

В процессе разработки Агаби и его команда решали три основные проблемы: структурировать нейроны так же, как они структурированы в мозге, прочитать и записать информацию в каждый отдельный нейрон и создать стабильную среду.

Технология индуцированной дифференцировки плюрипотентной клетки – метод, когда зрелая клетка, например, кожи, генетически встроена в исходную стволовую клетку, позволяет любой клетке превратиться в нейрон. Но как и любым электронным компонентам, живым нейронам нужна специальная среда обитания.

Поэтому нейроны были помещены в оболочки с управляемой средой, для регулировки уровня температуры и водорода внутри, а также для подачи им питания. Кроме того, такая оболочка позволяет контролировать взаимодействие нейронов между собой.

Электроды под оболочкой позволяют считывать или записывать информацию на нейроны. Агаби описывает этот процесс так:

«Мы заключаем электроды в оболочку из ДНК и обогащенных протеинов, которая стимулирует нейроны формировать искусственную тесную связь с этими проводниками. Так, мы можем считывать информацию с нейронов или, наоборот, посылать информацию на нейроны тем же способом или посредством света или химических процессов».

Агаби верит, что будущее технологий – за раскрытием возможностей так называемого wetware – человеческого мозга в корреляции с машинным процессом.

«Нет практических границ для того, какими большими мы сделаем наши будущие устройства или как по-разному мы может моделировать мозг. Биология – это единственная граница».

Дальнейшие планы «Конику» включат разработку чипов:

• с 500 нейронами, который будет управлять машиной без водителя;
• с 10 000 нейронами – будет способен обрабатывать и распознавать изображения так, как это делает человеческий глаз;
• с 100 000 нейронами – создаст робота с мультисенсорным входом, который будет практически неотличим от человека по перцептивным свойствам;
• с миллионом нейронов – даст нам компьютер, который будет думать сам за себя.

Чип памяти, встроенный в мозг

Каждый год сотни миллионов людей испытывают сложности из-за потери памяти. Причины этому разные: повреждения мозга, которые преследуют ветеранов и футбольных игроков, инсульты или болезнь Альцгеймера, проявляющиеся в старости, или просто старение мозга, которое ожидает всех нас. Доктор Теодор Бергер, биомедицинский инженер Университета Южной Калифорнии, на средства Агенства по перспективным оборонным исследованиям Министерства обороны США DARPA, тестирует расширяющий память имплантат, который имитирует обработку сигнала в момент, когда нейроны отказываются работать с новыми долгосрочными воспоминаниями.

Чтобы устройство заработало, ученые должны понять, как работает память. Гиппокамп – это область мозга, которая отвечает за трансформацию краткосрочных воспоминаний в долгосрочные. Как он это делает? И возможно ли симулировать его деятельность в рамках компьютерного чипа?

«По существу, память – это серия электрических импульсов, которые возникают с течением времени и которые генерируются определенным числом нейронов», – объясняет Бергер, – «Это очень важно, так как это значит, что мы можем свести этот процесс к математическому уравнению и поместить его в рамки вычислительного процесса».

Так, нейробиологи начали декодировать поток информации внутри гиппокампа. Ключом к этой дешифровке стал сильный электрический сигнал, который идет от области органа под названием СА3 – «входа» гиппокампа – к СА1 – «выходящему» узлу. Этот сигнал ослабляется у людей с расстройством памяти.

«Если бы мы могли воссоздать его, используя чип, мы бы восстановили или даже увеличили объем памяти», — говорит Бергер.

Но проследить этот путь дешифровки сложно, так как нейроны работают нелинейно. И любой незначительный фактор, замешанный в процессе, может привести к совсем другим результатам.Тем не менее, математика и программирование не стоят на месте, и сегодня могут вместе создать самые сложные вычислительные конструкции со множеством неизвестных и множеством «выходов».

Для начала ученые приучили крыс нажимать тот или иной рычаг, чтобы получить лакомство. В процессе запоминания крысами и превращения этого воспоминания в долгосрочное, исследователи тщательно фиксировали и записывали все трансформации нейронов, и затем по этой математической модели создали компьютерный чип. Далее, они ввели крысам вещество, временно дестабилизирующее их способность запоминать и ввели чип в мозг. Устройство воздействовало на «выходящий» орган СА1, и, вдруг, ученые обнаружили, что воспоминание крыс о том, как добиться лакомства восстановилось.

Следующие тесты были проведены на обезьянах. На этот раз ученые сконцентрировались на префронтальной коре головного мозга, которая получает и модулирует воспоминания, полученные из гиппокампа. Животным была продемонстрирована серия изображений, некоторые из который повторялись. Зафиксировав активность нейронов в момент узнавания ими одной и то же картинки, была создана математическая модель и микросхема, на ее основе. После этого работу префронтальной коры обезьян подавили кокаином и ученые вновь смогли восстановить память.

Когда опыты проводились на людях, Бергер избрал 12 волонтеров, больных эпилепсией, с уже имплантированными электродами в головной мозг, чтобы проследить источник их припадков. Повторяющиеся судороги разрушают ключевые части гиппокампа, необходимые для формирования долгосрочных воспоминаний. Если, к примеру, изучить активность мозга в момент припадков, можно будет восстановить воспоминание.

Точно также, как и в предыдущих экспериментах, был зафиксирован специальный человеческий «код памяти», который впоследствии сможет предсказать паттерн активности в клетках СА1, основываясь на данных, хранящихся или возникающих в СА3. В сравнении с «настоящей» мозговой активностью, такой чип работает с точностью около 80%.

Пока рано говорить о конкретных результатах после опытов на людях. В отличие от моторного кортекса головного мозга, где каждый отдел отвечает за определенный орган, гиппокамп организован хаотично. Также пока рано говорить, сможет ли такой имплантат вернуть память тем, кто страдает от повреждений «выходящего» участка гиппокампа.

Проблемный остается вопрос геерализации алгоритма для такого чипа, так как экспериментальный прототип был создан на индивидуальных данных конкретных пациентов. Что, если код памяти разный для всех, в зависимости от типа входящих данных, которые он получает? Бергер напоминает, что и мозг ограничен своей биофизикой:

«Есть только такое количество способов, которыми электрические сигналы в гиппокампе могут быть обработаны, которое несмотря на свое множество, тем не менее ограничено и конечно», — говорит ученый.

Оригинал статьи