Так что там с нейрокружевом?

Илон Маск обещал через четыре года вывести на рынок устройство для прямой передачи информации из мозга, альтернативу речевой коммуникации. Насколько это серьезно?

Space X, Tesla, Neuralin

Нейрокружево выпало из сети. Последним сообщением, по ней ушедшим, вероятно, стал аварийный сигнал бедствия (...). Она точно знала, что сообщение отправлено: где-то в центре ее головы с легким треском разломилась тонкая стеклянная нить.

Иэн Бэнкс. Черта прикрытия

«@elonmusk Что с нейрокружевом? Скоро анонсируете? — Возможно, в следующем месяце» (твиттер Илона Маска, 25 января 2017 года). Знаменитый миллиардер-прогрессист и раньше говорил, что заинтересовался проблемой прямого взаимодействия между человеческим мозгом и компьютером, причем употреблял такие выражения, как «слияние биологического и цифрового интеллекта», «повышенная скорость соединения между вашим мозгом и вашей цифровой версией». Обещанного анонса пришлось ждать чуть дольше: в конце марта 2017 года генеральный директор SpaceX и Tesla Илон Маск объявил, что стал сооснователем и главой компании Neuralink, которая займется разработкой нейрокомпьютерного интерфейса.

Термин «нейрокружево» (neural lace) придумал писатель-фантаст Иэн Бэнкс для своего цикла романов «Культура», начатого в 80-е годы ХХ века. В нашей реальности специалисты обычно используют другой термин: интерфейс мозг-компьютер (ИМК), он же нейрокомпьютерный интерфейс; англ. Brain-Computer Interface (BCI), Brain-Machine Interface (BMI).

Начать «Нейралинк» планирует со сравнительно скромных задач: нейропротезирование, помощь страдающим нейродегенеративными и другими заболеваниями. Прямой вывод информации с мозга помог бы парализованным после инсульта общаться с окружающими, а возможно, и обслуживать себя; ввод сигналов с видеокамеры на зрительную кору даст ослепшему человеку аналог зрения. Кстати, на том и другом направлении уже есть результаты. По столь серьезным показаниям электроды вживляют в мозг, но в опытах со здоровыми добровольцами, конечно, используют неинвазивные методы: транскраниальную (сквозь череп) регистрацию сигналов — электроэнцефалографию, магнитоэнцефалографию, функциональную магнитно-резонансную томографию.

Стратегические задачи новой компании Илона Маска куда амбициознее: создать нейроинтерфейсы, которые заменят речевое общение, став средством быстрой коммуникации, и в конечном счете помогут нам избежать подчинения искусственным интеллектом. Маск назвал и сроки: первое подобное устройство на рынке — через четыре года, а достаточно эффективное и безопасное, чтобы заинтересовать здоровых людей, — через восемь — десять лет. Пока что на сайте «Нейралинка» висит только объявление о найме специалистов, готовых поучаствовать в создании «ультраинтерфейсов с высокой пропускной способностью для соединения людей и компьютеров».

Скептики не совсем правы в том, что все это фантастика и утопия. В этой и близких областях работают десятки, если не сотни научных групп по всему миру, и многим уже есть что предъявить.

Нейрон и электрод

— ИскИны – одна из сложнейших проблем во вселенной, — вздохнул он и окинул влюбленным взглядом нейрошунты и метакортикальные процессоры, которые только что извлек из собственной головы.

Дэн Симмонс. Гиперион

Нанобиоэлектроника, то есть создание наноустройств-посредников между живыми и неживыми системами, — бурно развивающаяся область. В следующей статье номера рассказывается о миниатюрных устройствах, которые ведут прямые репортажи из организма хозяина о его давлении или биохимических показателях. Нанобиоэлектроника делает следующий шаг туда, где, по выражению Фейнмана, полным-полно места: ее тема — взаимодействие живого и неживого на клеточном и молекулярном уровнях.

Чарльз Либер, профессор Гарвардского университета, в 2011 году, по данным агентства Thomson Reuters, занял первое место среди химиков мира по суммарному импакт-фактору. Либер — пионер нанотехнологий, в последнее время занимается нанобиоэлектроникой. Наноустройства, вживляемые в организм, бывают разными, это могут быть, например, сенсоры, распознающие индивидуальные молекулы. Применительно к интерфейсу мозг-компьютер всех, конечно, интересуют электроды, принимающие сигналы от нейронов (или подающие на них сигналы).

Одну из разработок группы Либера журналисты как раз и называют «нейрокружевом», а сами авторы говорят «сеть» (mesh) или «электроника для инъекций». Проводящую наносеть с полимерным покрытием, скатанную в рулончик, можно ввести шприцем — для инъекции достаточно маленького отверстия. Попав внутрь, она расправляется и при этом не повреждает клетки, а деликатно вплетается в живую ткань. Таким способом в мозг можно имплантировать уже не электрод, а целое наноустройство. Авторы проделали опыты с мышами и крысами — правда, передача не была беспроводной, но активность нервных клеток в ответ на прикосновение, например, к вибриссам животного исправно фиксировалась.

Электросхема, которую можно ввести шприцем. Nature Nanotechnology, 2015, 10, 629—636

Когда мы говорим об электродах в нервной ткани, то обычно представляем себе металлическую иголочку или нить. Но это не единственный вариант. В 2015 году был опубликован обзор под названием «Мягкие материалы в нейроинженерии для жестких проблем нейронауки» («Neuron», 2015, 86, 1, 175—186, doi: 10.1016/j.neuron.2014.12.035). Авторы обзора указывали на то, что биоматериалы отличаются от металлов по физическим свойствам, нам лучше подойдут материалы гибкие, в меру пластичные и упругие. Среди компонентов электродов будущего упоминаются полимеры — поли(3,4-этилендиокситиофен) или полипиррол с добавкой наночастиц, увеличивающих проводимость, гидрогели из коллагена, альгината, поливинилового спирта, полиэтиленгликоля, а также графен или кремниевые наномембраны.

Осталось понять, что мы можем делать с помощью таких электродов.

Образ мысли

...Ментоскоп у Бегемота был хорош. Он позволял довольно глубоко проникать в воспоминания и обладал весьма высокой разрешающей способностью. Располагая такой машиной, можно было, пожалуй, обойтись и без знания языка. (...) Когда на экране Максим взрывал ледяную скалу, придавившую корабль, или скорчером разносил в клочья панцирного волка, или отнимал экспресс-лабораторию у гигантского глупого псевдоспрута, Бегемота было за уши не оттянуть от ментоскопа.

А. и Б. Стругацкие. Обитаемый остров

В запоминание определенных эпизодов или объектов вовлечены определенные группы нервных клеток. Такая группа называется энграммой, от греческого слова, означающего буквально «внутренняя запись». Как и «ген», «энграмма» когда-то была теоретическим понятием, которое теперь наполнилось конкретным содержанием. Уже существуют методы, позволяющие непосредственно наблюдать группу нейронов, которые активировались в ответ на некий стимул.

Можно, например, создать трансгенное животное, в клетках которого есть генноинженерный флуоресцентный белок GCaMP3, взаимодействующий с ионами кальция. Концентрация Ca²⁺ растет в активных нейронах, и они у таких животных начинают светиться. Метод подходит для самых разных животных, от круглых червей до млекопитающих. Млекопитающие, в отличие от червей, непрозрачны, но, скажем, мыши можно заглянуть в голову с помощью миниатюрного эндоскопического микроскопа. Ученые из Стэндфордского университета под руководством Марка Шнитцера рассматривали таким способом глубокие структуры мозга мышей, которые в это время обследовали знакомую клетку или бегали по прямой дорожке. Данные получали в течение 45 дней, регистрируя сигналы от 500—1000 нейронов гиппокампа — структуры мозга, ответственной за память. Интересно, что каждый день у такой мыши активировался уникальный набор клеток. Эти наборы перекрывались как минимум на 15—12% в любых двух картинах активности, зафиксированных в одном и том же месте, но чем больше времени проходило между записями, тем меньше было перекрывание. Значит, даже у подопытного грызуна один день не похож на другой.

Для экспериментов на людях приходится совершенствовать неинвазивные методы. Они менее информативны (см. интервью с Михаилом Лебедевым в «Химии и жизни», 2016, 4), но все же позволяют получить удивительные результаты. В лаборатории Джека Галланта (Калифорнийский университет, Беркли) добровольцам показывают картинки или видеоролики и при этом следят за активностью зрительной коры с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Используя данные фМРТ, математические модели реконструируют зрительные образы — рисуют на экране то, что данный человек видит. Можно и наоборот — предсказать, какой должна быть активность мозга человека, когда он начнет рассматривать ту или иную картинку. А это уже путь к передаче мыслеобразов: надеваешь шапку с электродами, принимаешь сигнал, активирующий нужные участки коры, и перед внутренним взором встает картина. Или к созданию зрительной системы искусственного мозга, который будет видеть мир так же, как мы. Если же не загадывать столь далеко, результаты Галланта с коллегами помогут понять как устроена обычная человеческая зрительная система, восстанавливать зрительные функции, нарушенные из-за повреждений мозга, создавать новые методы диагностики.

В той же лаборатории ищут подходы и к реконструкции услышанной речи по сигналам мозга. Ученые создали интерактивную карту, на которой показано, какой участок коры мозга реагирует на то или иное слово. Кстати, карты симметричны в обоих полушариях.

Включите память

— Должно быть, я потеряла счет времени, — тревожно поделилась она. — Это не трудно, когда много дней сидишь в одиночной камере и никого не видишь. Хотя вчера я проснулась в их лазарете и не смогла вспомнить, как я там оказалась.

«А если этот хирург действительно так хорош, как кажется, то никогда и не вспомнишь», — подумала Корделия.

Лоис Макмастер Буджолд. Осколки чести

Манипуляции с памятью трансгенных мышей методами оптогенетики (см. «Химию и жизнь», 2012, 12; 2016, 2), строго говоря, не имеют отношения к интерфейсам мозг-компьютер. С другой стороны, когда нейрокружево пронижет ткань мозга, можно будет выполнять аналогичные действия программными методами.

Пока что воспоминания можно избирательно включать и рекомбинировать только у трансгенных животных с оптоволокном, вживленным в мозг. Подобные эксперименты проводят сразу несколько команд, в том числе группа исследователей под руководством нобелевского лауреата Сусуму Тонегава из Массачусетского технологического института. В нейронах, которые реагируют на новые впечатления, активируется ген c-fos. У трансгенных мышей Тонегавы вместе с этим геном активировался и ген ченнелродопсина, но только если мышь получала определенный препарат — своего рода команду «начало записи». Иными словами, в нейронах, ответственных за данное воспоминание, появлялся ченнелродопсин — белок, который образует канал в мембране клетки и открывает этот канал (тем самым активируя нейрон), когда на него попадает свет. Что получается в итоге? Мыши подсвечивают мозг, и все нейроны, помеченные ченнелродопсином, становятся активными — мышиная память возвращает ее в тот момент, когда она начала принимать препарат. Например, если мыши во время «записи воспоминания» получали удар током, то, когда включалась подсветка оптоволокна, они выказывали признаки страха, даже находясь в совершенно другой обстановке.

Реконструкция образов по активности мозга. Слева кадры кинофильма, который смотрит доброволец, обычные или оконтуренные, справа реконструированные изображения

В других подобных опытах создавали синтетическую память — произвольно включая помеченные каналом нейроны, порождали у мышей память о ситуации, составленной из реальных и «призрачных» элементов. А можно заменить ченнелродопсин другим белковым каналом, который при подсветке не включает нейроны, а блокирует их, не позволяя что-то вспомнить.

Пока что оптогенетические методы используются для изучения поведения, психических заболеваний и, собственно, любых заболеваний, связанных с возбудимостью клеток (например, клеток миокарда). Но как будут применены наработки по манипуляциям с воспоминаниями, когда нейроинженерия станет рутиной, — на эту тему можно строить самые смелые предположения. От загрузки новых навыков непосредственно в мозг до «пластических операций», создающих новую память и новую личность.

Другое направление, для которого применение в клинической практике кажется более реалистичным, — нейропротезирование, замена электроникой поврежденных участков мозга. Теодор Бергер и его коллеги из Университета Калифорнии — Лос-Анджелес (UCLA) и Института Уэйк Форест создали искусственный гиппокамп для крысы. Сигналы от отделов мозга, связанных с гиппокампом, поступали в компьютерную модель этого отдела мозга, а выходные сигналы были аналогичны тем, которые генерирует «живой» гиппокамп. Включение устройства восстанавливало у крыс память, испорченную фармакологическим вмешательством (см. «Химию и жизнь», 2011, 8), — фактически оно замещало живой гиппокамп. Выключение снова делало их беспамятными. В 2012 году та же группа поставила опыты с макаками, в 2013-м успешно опробовала протез гиппокампа на приматах. В 2015 году были начаты испытания на людях — сначала на больных эпилепсией, которым имплантируют электроды в мозг по медицинским показаниям. Предполагается, что подобные протезы вернут память пациентам с травмами мозга и нейродегенеративными заболеваниями.

Эти идеи планирует воплотить в жизнь стартап Kernel, который создал в 2016 году основатель платежной системы Braintree и бывший партнер Илона Маска по PayPal Брайан Джонсон. Компания собирается создать имплантируемое устройство для улучшения памяти и обучаемости у людей с соответствующими нарушениями, и сам Бергер участвует в этом проекте.

Механическая рука

Совсем рядом с глазами шута моя рука сжимала рукоять меча.

Правая рука.

Железная.

Моя.

— Получилось, — одними губами выдохнул шут.

Генри Лайон Олди. Путь Меча

Одно из самых эффектных приложений для интерфейсов мозг-компьютер — управление внешними механическими устройствами. Чтобы посмотреть, как это работает, необязательно ехать за границу. Интерфейс мозг-компьютер для подвижных приложений разработали в лаборатории нейрофизиологии и нейроинтерфейсов (биофак МГУ) под руководством доктора биологических наук, профессора А.Я.Каплана. Человек надевает шапочку с электродами для снятия электроэнцефалограммы, программное обеспечение распознает компоненты (паттерны) ЭЭГ, и через несколько минут обучения и настройки участник эксперимента может «силой мысли» собрать пазл на экране компьютера или покатать игрушечную машинку. Выполнять задачу не мешают шумы, комментарии зрителей и т. п., а большинство других протоколов, в том числе зарубежных, к таким помехам чувствительны.

Понятно, что подобные устройства вызывают живой интерес у индустрии компьютерных игр, и тут просматривается быстрая окупаемость. Среди спонсоров в разных странах также военные ведомства. Но более полезными могут оказаться развивающие игры, тренажеры и, конечно, протезы с нейроуправлением.

Мы не один раз писали об экзоскелете для бразильского атлета Хулиано Пинто и о том, как он на открытии Чемпионата мира по футболу 2014 года смог встать и пробить по мячу. Экзоскелет управляется с помощью интерфейса мозг-компьютер, теми же самыми сигналами ЭЭГ, — правда, преобразователь сигналов размером как рюкзак. Интересная особенность этого экзоскелета в том, что он дает пользователю обратную связь. На его подошвах есть датчики прикосновения, сделанные по технологии «искусственной кожи». Они передают сигналы от поверхности ступней к той части устройства, которая соприкасается с пальцами пациента, — это помогает ощутить экзоскелет как часть тела, а не как инородный предмет.

Интерфейс мозг-компьютер, управляющий экзоскелетом для Хулиано Пинто, разработали в лаборатории Мигеля Николелиса (Университет Дьюка). Там же много лет экспериментируют на макаках-резусах с электродами, вживленными в мозг: обезьян учат управлять протезами рук, правда, пока виртуальными, на экране компьютера. Подобные протезы когда-нибудь помогут парализованным людям. А если, например, поврежден участок спинного мозга, передающий сигналы от коры головного мозга к руке, возможно, удастся аналогичным способом вернуть руке подвижность. Чтобы управлять двумя виртуальными руками, необходимо регистрировать сигналы примерно от 500 нейронов в обоих полушариях.

Джен Шерман ест шоколадку. Своей третьей руке она дала имя Гектор

На свете есть и человек с механической рукой, управляемой мозгом. В 2012 году 52-летней Джен Шерман (Jan Scheuermann), у которой было парализовано все тело ниже шеи, но сохранена речь, вживили в кору головного мозга две матрицы по 96 электродов, с помощью которых одновременно регистрировалась активность до 270 нейронов коры. Операцию сделали в Питсбургском университете под руководством Эндрю Шварца. Сигналы от электродов трансформировались в движения протеза, и уже через две недели Джен смогла пожать руку экспериментатору, а через несколько месяцев самостоятельно ела, собирала пирамидку. Искусственную руку для Джен создали в лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса по заказу Управления перспективных исследований Министерства обороны США, Минобороны поддерживало и исследования команды Шварца. Возможно, это самая сложная искусственная конечность в мире. Она очень похожа на живую человеческую руку и имеет десять степеней свободы, но проведение осязательной информации от руки к мозгу — пока дело будущего.

В России имеется разработка, менее фантастическая по дизайну, зато более доступная: экзоскелеты для рук, управляемые сигналами ЭЭГ и предназначенные для реабилитации после инсульта. Механизмы обратной связи много значат для нашей нервной системы. Если человек воображает движение и экзоскелет передает его живой руке, помогая ей выполнить задуманное, то подвижность возвращается быстрее. Алгоритмы для распознавания сигналов ЭЭГ создали в РНИМУ им. Н.И.Пирогова под руководством профессора А.А.Фролова.

Существуют и другие проекты экзоскелетов и протезов, управляемых сигналами мозга. Но даже если забыть о высокой себестоимости, экзоскелет составит конкуренцию инвалидной коляске не раньше, чем научится ходить по лестнице, а это пока что проблема. Хотя и над ней работают.

Передача мыслей на расстоянии

Резкий бросок в другое тело. Матрица исчезла, вокруг волны звука и цвета… Молли шла по заполненной людьми улице мимо киосков, торгующих уцененным софтом (...) Несколько секунд ошеломленный Кейс пытался управлять телом девушки. Но затем принудил себя к пассивности, стал пассажиром, глядящим на мир ее глазами.

Уильям Гибсон. Нейроман

Информацию можно передавать не только от мозга к компьютеру и обратно, но и от мозга к мозгу через компьютер — то самое, что поставил своей целью Илон Маск. Еще одно создание лаборатории Николелиса, о котором мы писали, — брейнет (Brainet), несколько мозгов, объединенных в сеть. В мозг животного электроды вживляются, в случае с человеком используют транскраниальную регистрацию и стимуляцию. Самое сложное — правильно распознать сигнал, связанный с определенным ощущением или намерением, и передать его без искажений.

Что может брейнет? Например, передавать осязательную и моторную информацию от одной крысы к другой, так что одно животное выполняет задание, а другое учится вместе с ним. Интересно, что в этом эксперименте первая и вторая крыса находились в разных странах — одна в Бразилии, в Международном институте нейронаук города Натал, другая — в Университете Дьюка в США. В другом варианте эксперимента спящей крысой управляет человек, заставляя ее шевелить хвостом. Возможно, когда-нибудь мы сможем таким образом управлять и нашими домашними питомцами — наша собака никогда не будет непослушной. Тут опять-таки можно придумать много фантастических применений, утопических и антиутопических. Однако в лаборатории Николелиса думают в первую очередь о командной работе — совместном решении сложных или объемных задач, а также о медицинских приложениях. Например, передавать сигналы мозга парализованного больного терапевту, чтобы он, «почувствовав» их напрямую, лучше понял природу болезни. Или наоборот: сигналы от мозга здорового человека стимулируют мозг больного и помогают ему преодолеть недуг.

Лаборатория Николелиса — один из лидеров, но опыты по «передаче мыслей на расстоянии» проводят и в других научных центрах. Например, исследователи из Вашингтонского университета в Сиэтле во главе с Раджешом Рао снимали ЭЭГ у человека, который наблюдал за компьютерной игрой-стрелялкой, но сам не мог выполнять игровые задания — только думать о движении рукой, ни джойстика, ни мыши ему не давали. А человек-приемник в подключенной к Интернету шапочке с электромагнитами для транскраниальной стимуляции области мозга, ответственной за движение руки, сидел в темной комнате без компьютера, положив руку на тачпад. Комнаты находились в разных зданиях на расстоянии в полкилометра, в опытах участвовали три пары. В зависимости от способностей передатчика четко формулировать свои мысли приемник угадывал от 25 до 83% команд.

Технотелепатический сеанс со словами hola и ciao PLoS ONE 9(8):e105225. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105225

В 2014 году команда исследователей из Испании и Франции аналогичным образом передавала слова hola («привет» по-испански) и ciao («здравствуй» и «до свидания» по-итальянски). Точнее, отправитель воображал движения рукой или ногой, результаты его ЭЭГ превращались в двоичный код, адресат в 5000 км от него благодаря транскраниальной магнитной стимуляции видел фосфены — световые вспышки в закрытых глазах: есть вспышка —1, нет — 0. Передача велась со скоростью примерно 2 бита в минуту, ошибки составили 15%.

Очевидно, что от этих результатов до мгновенной ментальной коммуникации — как до Марса. Но если появится абсолютно безопасная, а может (мечтать так мечтать), даже полезная технология вживления пластичных электродов в мозг, и картирование слов в коре полушарий будет доведено до совершенства, и технологии передачи информации сделают еще несколько шагов вперед — телепатическая связь, в которой нам отказала природа, будет реализована техническими средствами. Понравится ли это нам, другой вопрос.

Данная статья не претендует на полноту обзора, многие интересные работы по необходимости остались за кадром. Цель ее в другом: показать, что стену между естественным и искусственным интеллектом (а заодно между материальным и идеальным) уже сегодня штурмует армия, пусть не многомиллионная, но высокопрофессиональная. Рано или поздно в этой стене появятся бреши, может быть, и благодаря Илону Маску. Философы и биоэтики, осознав это, начали задавать вопросы. Что станет с понятием индивидуальности, если воспоминаниями можно будет обмениваться, как файлами, — и кто в этом мире сможет верить собственным воспоминаниям? Как быть с гражданской или уголовной ответственностью за поступок, решение о котором принял брейнет? О том, что произойдет с приватностью, личной информацией, и подумать страшно. Утешают две вещи: времени у нас еще много, и первыми, скорее всего, придут хорошие перемены — помощь слепым, парализованным и потерявшим память. Не потому, что человечество такое доброе, а потому, что большие деньги за жизненно важное мы платим охотнее, чем за игрушки.