В 1969 году ученый по
имени Эберхард Фетц соединил один нейрон мозга обезьяны с циферблатом перед ее
лицом. Стрелки должны были двигаться, когда нейрон активировался. Когда
обезьяна думала так, что активировался нейрон и стрелки смещались, она получала
конфету со вкусом банана. Со временем обезьяна стала совершенствоваться в этой
игре, потому что хотела больше вкусных конфет. Обезьяна научилась активировать
отдельный нейрон и стала первым персонажем, получившим нейрокомпьютерный
интерфейс.
В течение следующих
нескольких десятилетий прогресс был довольно медленным, но к середине 90-х
годов ситуация начала меняться и с тех пор все разгоняется.
Поскольку наше
понимание мозга и электродного оборудования довольно примитивны, наши усилия,
как правило, направлены на создание простых интерфейсов, которые будут
использоваться в тех областях головного мозга, которые мы понимаем лучше всего,
таких как моторная кора и визуальная кора головного мозга.
И поскольку
человеческие эксперименты возможны только для людей, которые пытаются
использовать НКИ для облегчения своих страданий — и потому что спрос рынка
сосредоточен именно на этом — наши усилия почти полностью были посвящены
восстановлению утраченных функций для людей с ограниченными возможностями.
Крупнейшие отрасли НКИ
будущего, которые обеспечат людей волшебными сверхспособностями и преобразуют
мир, сейчас находятся в состоянии зародыша — и нам приходится руководствоваться
ими, а также своими догадками, размышляя о том, каким может быть мир в 2040,
2060 или 2100 году.
Давайте пройдемся по
ним.
Это компьютер,
созданный Аланом Тьюрингом в 1950 году. Он называется Pilot ACE. Шедевр своего
времени.
Теперь посмотрите на
это:
Когда вы будете читать
примеры ниже, я хочу, чтобы вы держали перед глазами такую аналогию —
Pilot
ACE
является для iPhone 7 тем же,
чем
каждый
пример НКИ ниже является для ______________
— и попробуйте
представить, что должно быть на месте прочерка. К нему мы вернемся позже.
В любом случае из
всего, что я читал и обсуждал с людьми в этой области, в настоящее время в
разработке находится три крупных категории нейрокомпьютерных интерфейсов:
Первые
НКИ типа #1:
использование
моторной коры в качестве дистанционного управления
Если вы забыли,
моторная кора — это вот этот парниша:
Многие области мозга
для нас непонятны, но моторная кора непонятна для нас меньше, чем другие. И что
более важно, она хорошо картирована, отдельные ее части контролируют отдельные
участки тела.
Что важно, это одна из
крупных участков мозга, которая отвечает за нашу работу. Когда человек что-то
делает, моторная кора почти наверняка тянет за ниточки (во всяком случае
физической стороны действия). Поэтому человеческому мозгу не нужно учиться
использовать моторную кору в качестве дистанционного управления, потому что
мозг уже использует ее в таком качестве.
Поднимите свою руку.
Теперь опустите. Видите? Ваша рука похожа на маленький игрушечный беспилотник,
и ваш мозг просто использует моторную кору как пульт дистанционного управления,
чтобы дрон взлетел и вернулся обратно.
Цель НКИ на основе
моторной коры состоит в том, чтобы подключиться к ней, а затем, когда пульт
дистанционного управления вызовет команду, услышать эту команду и отправить ее
на какой-нибудь аппарат, который сможет на нее ответить. Например, на руку.
Пучок нервов — посредник между вашей корой и вашей рукой. НКИ
— посредник между вашей моторной корой и компьютером.
Все просто.
Один из интерфейсов
такого типа позволяет человеку — обычно человеку, парализованному от шеи
либо с ампутированной конечностью, — перемещать курсор на экране силой
мысли.
Все начинается с
100-контактной многоэлектродной матрицы, которая имплантируется в моторную кору
человека. Моторная кора у парализованного человека работает прекрасно — просто
спинной мозг, который служил посредником между корой и телом, прекратил
работать. Таким образом, с имплантированной электродной матрицей исследователи
дали возможность человеку двигать рукой в разных направлениях. Даже если он не
может этого сделать, моторная кора функционирует нормально, как если бы он мог.
Когда кто-то двигает
рукой, его моторная кора взрывается активностью — но каждый нейрон обычно
интересуется только одним типом движения. Поэтому один нейрон может срабатывать
всякий раз, когда человек двигает своей рукой вправо, но будет скучать при
движении в других направлениях. Тогда только по одному этому нейрону можно было
бы определить, когда человек хочет передвинуть свою руку вправо, а когда нет.
Но с электродной матрицей из 100 электродов каждый из них будет слушать
отдельный нейрон. Поэтому во время испытаний, когда человека просят передвинуть
руку вправо, например, 38 из 100 нейронов фиксирует активность нейронов. Когда
человек хочет передвинуть руку влево, активируется 41 другой. В процессе
отработки движений в разных направлениях и с разной скоростью, компьютер
получает данные с электродов и синтезирует их в общее понимание картины
активации нейронов, соответствующей намерениям двигаться по осям X-Y.
Затем, когда они выводят
эти данные на экран компьютера, человек может силой мысли, «пытаясь» двигать
курсор, действительно контролировать курсор. И это работает. При помощи НКИ,
сопряженных с моторной корой, компания BrainGate позволила мальчику играть в
видеоигру при помощи одной только силы мысли.
И если 100 нейронов
могут сказать вам, куда они хотят передвинуть курсор, почему они не могут
сказать вам, когда они хотят поднять чашечку кофе и сделать глоток? Вот что
сделала эта парализованная женщина:
Другая парализованная
женщина сумела полетать на симуляторе истребителя F-35, а обезьяна недавно при
помощи мозга проехала в инвалидном кресле.
И почему ограничиваться
одними руками? Бразильский пионер НКИ Мигель Николелис и его команда построили
целый экзоскелет, позволивший парализованному человеку сделать открывающий удар
на World Cup.
Отступление на тему проприоцепцииДвижение всех этих «нейропротезов» практически целиком зависит от записи нейронов, но чтобы эти устройства были действительно эффективны, она не должна быть односторонней, а скорее петлей, связующей дорожки записи и стимулирования. Мы редко об этом задумываемся, но большая часть вашей способности поднимать вещи обязана входящей сенсорной информации, которую кожа ваших рук отправляет в мозг (называется «проприоцепция»). Онемевшими пальцами очень трудно зажечь спичку, даже если вы полностью здоровы. Поэтому, чтобы бионические конечности хорошо работали, они должны принимать и сенсорную информацию.
Стимулирование нейронов сложнее их считывания. Как говорит исследователь Флип Сабес:
«Если я запишу схему активности, это не значит, что я смогу легко воссоздать эту схему активности, просто проиграв ее наоборот. Но если вы все перепутаете, а затем заходите воссоздать первоначальное движение одной из планет, нельзя будет просто взять и вернуть ее на орбиту, потому что на нее будут влиять все остальные планеты. Аналогично, нейроны не работают изолированно, поэтому существует фундаментальная необратимость. Кроме того, со всеми аксонами и дендритами трудно просто стимулировать нейроны, которые вам нужно, потому что они очень тесно связаны».
В этих разработках есть семена других будущих революционных технологий — вроде интерфейсов «мозг — мозг».Лаборатория Флипа пытается решить эти вопросы при помощи мозга. Оказывается, если вознаграждать обезьяну сочным глотком апельсинового сока, когда срабатывает один нейрон, со временем обезьяна научится активировать нейрон по требованию. Нейрон будет выступать в некотором роде пультом ДУ. Следовательно, обычные команды моторной коры — лишь один из возможных механизмов управления. Аналогично, пока технологии НКИ не станут достаточно хороши для идеальной стимуляции, можно использовать нейропластичность мозга для обхода. Если будет слишком сложно сделать так, чтобы кончик бионического пальца касался чего-либо и отправлял обратно информацию, которая будет похожа на ощущение прикосновения собственного пальца человека, кисть руки может отправлять какую-нибудь другую информацию в мозг. Сначала это будет казаться странным для пациента — но в конечном итоге мозг научится расценивать этот сигнал как новое ощущение касания. Эта концепция называется «сенсорная субституция (замена)», и в ней мозг способствует созданию НКИ.
Николелис провел
эксперимент, в котором моторная кора одной крысы в Бразилии, нажимавшей один из
двух рычагов в клетке — один из которых, о чем знала крыса, доставит ей
удовольствие — была связана через Интернет с моторной корой другой крысы в США.
Крыса в США была в подобной клетке, за исключением того, что, в отличие от
крысы в Бразилии, у нее не было информации о том, какой из ее двух рычагов
доставит ей удовольствие — помимо сигналов, которые она получает от
бразильской крысы. В ходе эксперимента, если американская крыса правильно
выбирала рычаг, тот же, который тянула крыса в Бразилии, обе крысы получали
награду. Если тянули неверный, не получали. Интересно то, что с течением
времени крысы становились все лучше и лучше, работали сообща, словно одна
нервная система — хотя и понятия не имели о существовании друг друга. Успех
американской крысы без информации составлял 50%. С сигналами, поступающими от
мозга бразильской крысы, успех вырос до 64%.
Отчасти это сработало и
на людях. Два человека в разных зданиях работали сообща, играя в видеоигру.
Один видел игру, другой держал контроллер. Используя простые гарнитуры ЭЭГ,
игрок, который видел игру, мог, не двигая руками, подумать о движении своей
рукой, чтобы «выстрелить» на контроллере — и поскольку их мозги сообщались
между собой, игрок с контроллером чувствовал сигнал в пальце и нажимал кнопку.
Первые
НКИ типа #2: искусственные уши и глаза
Есть несколько причин,
по которым давать зрение слепым и звук глухим — среди самых доступных категорий
нейрокомпьютерных интерфейсов.
Во-первых, подобно
моторной коре, сенсорные части коры — это части мозга, которые мы понимаем
достаточно хорошо, отчасти потому, что они имеют тенденцию хорошо
картироваться.
Во-вторых, среди многих
первых подходов нам не нужно было иметь дела с мозгом — можно было
взаимодействовать с теми местами, где уши и глаза соединяются с мозгом, потому
что именно там чаще всего встречались нарушения.
И в то время как
деятельность моторной коры головного мозга заключалась главным образом в
считывании нейронов для извлечения информации из мозга, искусственные органы
чувств работают по-другому — стимулируя нейроны для отправки информации внутрь.
За последние
десятилетия мы наблюдали невероятное развитие кохлеарных имплантатов.
Отступление на тему того, как работает слух
Когда вы думаете, что «слышите» звук, происходит следующее:
То, что мы представляем как звук, это модели колебаний молекул воздуха вокруг головы. Когда гитарная струна, голосовые связки или ветер производят звук, он рождается вследствие вибраций, которые толкают ближайшие молекулы воздуха, и они расширяются как шар, подобно тому как поверхность воды расширяется наружу в месте, где падает камень.
Ваше ухо — это машина, которая преобразует эти вибрации в электрические импульсы. Всякий раз, когда воздух (или вода, или любая другая среда, молекулы которой могут вибрировать) входит в ухо, ваше ухо переводит точную картину вибрации в электрический код, который затем посылается в нервные окончания. Нервы запускают потенциалы действия, которые посылают код в слуховую кору для обработки. Ваш мозг получает информацию, и мы называем процесс получения этого конкретного типа информации «слухом».
Большинство глухих или слабослышащих людей не имеют проблем с нервами или слуховой корой — у них обычно возникают проблемы с ухом. Их мозг так же готов, как и любой другой, превращать электрические импульсы в слух — просто их слуховая кора не получает никаких электрических импульсов, потому что машина, которая преобразует вибрации воздуха в эти импульсы, не выполняет свою работу.
Ухо имеет много частей, но именно улитка, в частности, осуществляет важное преобразование. Когда вибрации попадают в жидкость в улитке, тысячи тонких волосков, устилающих ее, вибрируют, а клетки, которые прикреплены к этим волоскам, преобразуют механическую энергию вибраций в электрические сигналы, которые затем возбуждают слуховой нерв. Вот как это выглядит:
Улитка также сортирует
входящий звук по частоте. Вот крутая диаграмма, показывающая, почему низкие
звуки обрабатываются в конце улитки, а высокие — в начале (а также почему ухо
может слышать звук на определенной максимальной и минимальной частотах):
Кохлеарный имплантат —
это маленький компьютер, у которого на одном конце микрофон (который сидит на
ухе), а на другом провод, который соединяется с массивом электродов,
выстилающих улитку.
Звук поступает в
микрофон (маленький крючок в верхней части уха) и входит в коричневую штуку,
которая обрабатывает звук, чтобы отфильтровать менее полезные частоты. Затем
коричневая штука передает информацию через кожу, через электрическую индукцию,
в другой компонент компьютера, который преобразует информацию в электрические
импульсы и посылает ее в улитку. Электроды фильтруют импульсы по частоте, как
улитка, и стимулируют слуховой нерв, как волоски в улитке. Вот так это выглядит
снаружи:
Другими словами,
искусственное ухо выполняет такую же функцию превращения звука в импульсы и
передачи в слуховой нерв, как и обычное ухо.
Но это не идеально.
Почему? Потому что для того, чтобы послать звук в мозг с таким же качеством,
как и обычное ухо, нужно 3500 электродов. Большинство кохлеарных имплантатов
содержит всего 16. Грубовато.
Но мы ведь в эпохе
Pilot ACE — конечно, грубовато.
Тем не менее
сегодняшний кохлеарный имплантат позволяет людям слышать речь и разговаривать,
а это уже неплохо.
Многие родители глухих
детей ставят им кохлеарные имплантаты в годовалом возрасте.
В мире слепоты
происходит аналогичная революция в виде имплантата сетчатки.
Слепота часто является
результатом заболевания сетчатки. В этом случае имплантат может выполнять
подобную функцию для зрения, как кохлеарный имплантат для слуха (хоть и не так
прямо). Он делает то же, что и обычный глаз, передавая информацию нервам в
форме электрических импульсов, как это делают глаза.
Более сложный
интерфейс, чем кохлеарный имплантат, первый имплантат сетчатки был одобрен FDA
в 2011 году — им стал имплантат Argus II, изготовленный Second Sight. Имплантат
сетчатки выглядит так:
И работает так:
Начиная с конца 1980-х
годов, глубокая стимуляция мозга стала еще одним грубым инструментом, который
все так же меняет жизнь для многих людей.
Также это категория
НКИ, которые не связаны с внешним миром — это использование нейрокомпьютерных
интерфейсов для лечения или улучшения самого себя, изменяя что-то внутри.
То, что происходит
здесь, — это один или два электродных провода, обычно с четырьмя отдельными
электродными участками, которые вводятся в мозг и часто оказываются где-то в
лимбической системе. Затем в верхнюю часть грудной клетки имплантируют
небольшой электрокардиостимулятор и подключают к електродам.
Затем электроды могут
выдавать небольшой заряд по необходимости, что полезно для многих важных штук.
Например:
- уменьшение тремора у людей с болезнью Паркинсона
- уменьшение тяжести приступов
- уменьшение обсессивно-компульсивного расстройства
В рамках экспериментов
(то есть пока без одобрения FDA) ученым удалось смягчить определенные виды
хронической боли, вроде мигреней или фантомной боли в конечностях, вылечить
беспокойство или депрессию при ПТСР, либо в сочетании с мышечной стимуляцией
восстановить определенные нарушенные схемы работы мозга, которые сломались
после инсульта или неврологического заболевания.
* * *
Вот в таком состоянии
находится пока еще слабо развитая область НКИ. И в этот момент в нее входит
Илон Маск. Для него и для Neuralink, современная НКИ-индустрия — это точка А.
Пока мы изучали прошлое на протяжении всех этих статей, чтобы подобраться к
настоящему моменту. Теперь пришло время заглянуть в будущее — чтобы
выяснить, что такое точка Б и как нам до нее добраться.
April 20, 2017
By Tim Urban