Что укладывается в голове: развитие интерфейсов «мозг–компьютер» радикально изменит мир

Иван Дмитриенко 30.08.2021 12:10 | Наука и техника 41

Британец Нил Харбиссон имплантировал антенну себе в мозг

©Ints Kalnins/REUTERS

В конце июня СМИ сообщили о разработке в правительстве России программы «Мозг, здоровье, интеллект, инновации» стоимостью 54 млрд рублей. Ее цель – развитие технологий вживления в мозг граждан микрокомпьютеров. Почти сразу же пришло опровержение из Минобрнауки: мол, программа обсуждалась, но затем была признана нецелесообразной. Однако новость успела вызвать бурную реакцию российской общественности, что неудивительно на фоне стойко циркулирующих слухов о массовом чипировании – то ли грядущем, то ли уже начавшемся.

На самом деле между мифическим чипированием и тем, что пока представляют собой интерфейсы «мозг–компьютер» (или нейроинтерфейсы), есть существенная разница. Но одно несомненно: технология на подъеме. В последние месяцы в ее разработке были достигнуты впечатляющие результаты, и, похоже, что эра массовых бюджетных девайсов, позволяющих обмениваться информацией между мозгом и внешними устройствами, наступит уже в ближайшие годы.

Можно лишь предполагать, какие возможности это откроет в отдаленном будущем: блокировать плохие мысли, архивировать сны и воспоминания и даже дарить человеку «цифровое бессмертие»… Но, как говорят опрошенные «Профилем» эксперты, для этого еще придется решить ряд фундаментальных проблем. Главная из них связана с тем, что ученые все еще слабо представляют, по каким законам функционирует человеческий мозг. Это по-прежнему одна из самых интригующих загадок Вселенной.

Чип чипу рознь

Можно ли управлять объектами силой мысли? Да, и никакой метафизики здесь нет. Нейроинтерфейс (brain-computer interface, BCI) направляет поступающие от мозга команды путем считывания его электрической активности – ту же работу выполняют наши нервы и мышцы. То, что мозг генерирует электрические сигналы, наука открыла еще в конце XIX века. В 1924 году немецкий физиолог Ханс Бергер впервые зафиксировал их на бумаге, назвав электроэнцефалограммой (ЭЭГ).

Эксперименты с медицинскими нейроинтерфейсами начались в XX веке

Vostock Photo

С 1950-х начались попытки подключиться к мозгу напрямую. Первым известным опытом на животных было электродное устройство Stimoceiver. Американский ученый Хосе Дельгадо установил его в мозг быка, а когда того выпустили на арену для корриды, нажал кнопку на пульте управления: сигнал был передан по радиосвязи, и животное среагировало, сменив направление движения.

В 1963-м американский нейрофизиолог Грей Уолтер продемонстрировал еще более эффектный эксперимент. Его пациенты нажимали на кнопку, переключающую изображения на проекторе. Уолтер обнаружил, какие команды производит для этого мозг, и напрямую связал его микроэлектродами с проектором. Затем он отключил кнопку, но пациентам об этом не сказал. Те продолжали на нее нажимать, как и прежде: слайды успешно сменялись, но теперь уже по прямой команде из мозга.

Вживляемые (инвазивные) интерфейсы – лишь один возможный путь. Существуют также неинвазивные инструменты регистрации мозговой активности. Обычно они представляют собой шлем или «шапочку» с прикрепленным пучком электродов – точь-в-точь, как на сеансе ЭЭГ в поликлинике. Однако точность расшифровки импульсов заметно страдает: мешают волосы, движения головы, внешние помехи. Для улучшения электропроводимости приходится смачивать голову водой, и все же неинвазивные интерфейсы годятся только для передачи простейших команд.

С другой стороны, имплантация электродов в кору мозга требует трепанации черепа, а это небезопасная операция. Кроме того, может возникнуть проблема биосовместимости электродов: организм воспримет их как инородное тело и изолирует от нейронов, создав защитный рубец. Устройство станет бесполезным, вдобавок возможны непредсказуемые последствия для здоровья. Поэтому инвазивные интерфейсы применяются в основном в медицине для поддержания тяжелобольных пациентов, которым иначе помочь уже невозможно.

Простые движения

Медицинские интерфейсы имеют сравнительно давнюю историю. Она началась со слуховых нейропротезов (кохлеарных имплантов) – в США лечение ими началось в 1972 году. Сегодня в мире, по разным оценкам, такими устройствами пользуются более 730 тысяч человек (в США – 183 тысячи, в России – 8 тысяч).

На рубеже веков инвазивные чипы стали использоваться для помощи парализованным. В 1998-м невролог Филипп Кеннеди вживил такое устройство в мозг художника и музыканта Джонни Рея, обездвиженного из-за травмы ствола головного мозга. Воображая движения рук, Рей смог перемещать курсор на экране компьютера. В 2004-м американец Мэтью Бэйгл обзавелся роботизированной рукой, управляемой нейрочипом от компании Cyberkinetics Inc.

В 2013 году британский активист Нил Харбиссон, с рождения страдающий цветовой слепотой, имплантировал себе в мозг антенну, которая распознает цвета, преобразовывает их в звуки и транслирует во внутреннее ухо. А спустя год чемпионат мира по футболу в Бразилии открыл человек в экзоскелете Джулиано Пинто. Несмотря на паралич нижних конечностей, он сделал символический удар по мячу, приведя «железный костюм» в движение силой мысли.

Бразилец Джулиано Пинто компенсировал паралич нижних конечностей экзоскелетом

Vostock Photo

Также есть BCI-устройства для реабилитации: они помогают пациенту вернуть утраченные навыки путем тренировки мозга и создания новых нейронных связей. До недавних пор примеры их использования также были единичными, но вскоре ситуация может измениться: в апреле этого года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) сертифицировало прибор IpsiHand, предназначенный для восстановления подвижности руки пациента после инсульта. Это первый случай, когда нейроинтерфейс был одобрен для широкой клинической практики.


Входной билет в извилины

По оценке Market Research Future, в 2019 году объем рынка BCI-технологий составлял $980 млн, половина этой суммы приходилась на США. В ближайшие годы ежегодные темпы роста превысят 15%.

Одним из драйверов этого процесса являются госпрограммы. 12-летний бюджет американского проекта The BRAIN Initiative (запущен в 2013 году) оценивается в $4,5 млрд. В нем заинтересован целый ряд госструктур, включая оборонное агентство DARPA (среди его проектов – нейроинтерфейс для обучения стрельбе американских солдат).

Аналогичный проект в 2013 году стартовал в Евросоюзе (The Human Brain Project). Его бюджет – $1,3 млрд.

В этом смысле новость о подготовке в России программы по развитию нейроинтерфейсов вписывается в мировой тренд. Тем более у нас есть свои разработки: помимо созданного в МФТИ «Когниграфа» это BCI-комплексы «Нейрочат» (МГУ) и BrainReader (Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука).

«Для венчурного инвестора потенциал на этом рынке огромен, – считает сооснователь TMT Investments Герман Каплун. – За последние полгода венчурные фонды по всему миру инвестировали $288 млрд. Для нейроинтерфейсов достаточно небольшой части этой суммы. Пока BCI-технологии увереннее всего развиваются в медицине, но на очереди образование, рекрутинг, индустрия развлечений, интернет вещей. Впрочем, сейчас мы находимся в самом начале, до массового использования таких продуктов пройдет минимум 10 лет».

Нейрогарнитура «ГарАнт-ЭЭГ» программно-аппаратного комплекса «Нейрочат»

Валерий Шарифулин/ТАСС


Сон по заказу

Тем временем BCI-технологии прокладывают себе путь на другие рынки. Совсем по-новому они могут раскрыться в индустрии видеоигр. Уже сейчас доступны VR-игры, где взаимодействие геймера с вымышленным миром не требует клавиатуры или джойстика. Для этого требуются неинвазивные ЭЭГ-гарнитуры, считывающие импульсы мозга: их создают компании Neurable (шлем Vive) и NeuroSky (наушники MindWave и MindSet).

Сооснователь компании–разработчика игр Valve Гейб Ньюэлл уверен, что будущее за играми, которые анализируют мозговую активность игрока и меняются на ходу, подстраиваясь под его предпочтения. А затем наступит эпоха игр, напрямую передающих информацию в мозг, – сейчас возможности геймера, по выражению Ньюэлла, сильно ограничивает «мясная периферия» (то есть его физическое тело). «Реальный мир будет казаться плоским, бесцветным и расплывчатым по сравнению с тем, что вы можете создать в головном мозге людей», – уверен Ньюэлл. Сон, по его мнению, тоже станет разновидностью видеоигры – приложением, «которое вы запускаете и настраиваете».

Другой перспективный сценарий для нейроинтерфейсов связан с психологией и саморазвитием. На рынке уже доступны несколько подобных решений. Шлем EPOC от Emotiv Systems регистрирует частоты мозга и сокращения мышц, выявляя эмоциональный фон и уровень стресса человека. Гарнитура Muse от канадского стартапа InteraXon разработана для медитации: преобразуя импульсы мозга в звуки, она помогает своему владельцу расслабиться и повысить концентрацию. А компания Neurable готовится выпустить бюджетные наушники Enten с 16 датчиками ЭЭГ. Идущее в комплекте приложение соберет данные о мозговой активности и составит для пользователя рекомендации, как эффективнее работать и избежать эмоционального выгорания.

Но и это далеко не все. Автоконцерны изучают возможности нейрошлемов для мысленного управления автомобилем. В частности, разработкой подобной технологии (brain-to-vehicle, B2V) занимается Nissan. Предполагается, что она повысит безопасность на трассе, ведь прямая передача команд от мозга позволит автомобилю мгновенно реагировать на дорожную ситуацию.

А месяц назад вышло исследование группы ученых из университетов Копенгагена и Хельсинки, в котором доказывается польза нейроинтерфейсов в рекламной индустрии. Авторы утверждают, что по нейронной активности человека можно заранее определить, как он отреагирует на ту или иную информацию. «Так мы можем дать пользователям надежные рекомендации – примерно как стриминг-сервисы предлагают новые фильмы или сериалы, основываясь на вашей истории просмотра», – пояснил руководитель проекта Туукка Руотсало.

Отдельный интерес нейроинтерфейсы представляют в качестве новой системы ввода текста. В целом они давно используются в этом качестве (путем мысленного управления курсором на экране), но скорость ввода оставляет желать лучшего, поэтому реальная необходимость в таких устройствах есть только у парализованных людей. Серьезным шагом вперед может стать исследование Медицинского института Говарда Хьюза (США), результаты которого были представлены в мае этого года. Его авторы пошли по другому пути – реконструкции рукописного почерка пациента по командам, которые мозг отдает мышцам. В итоге был установлен мировой рекорд скорости набора – 90 символов в минуту.

Это явно не предел: есть исследовательские проекты, нацеленные на более высокие показатели (так, Facebook разрабатывает неинвазивное устройство, позволяющее набирать до 100 слов в минуту). Как гласят прогнозы футурологов, в перспективе это позволит создать принципиально новые гаджеты. Ведь наши смартфоны превосходят своих кнопочных предшественников в первую очередь не камерой и не большим экраном, а технологией тачскрина: человек получил возможность держать виртуальный мир «на кончиках пальцев», что существенно увеличило частоту взаимодействия с ним. Сейчас электроника переходит на новый уровень, осваивая голосовое общение с пользователем. После него следующим скачком могут стать технологии «мыслеписания».

Мозговой штурм

Все это было бы невозможно без гонки по развитию технологий BCI, развернувшейся в последние годы среди исследователей. Общий закон: возможности интерфейсов тем выше, чем мощнее вычислительные ресурсы, с помощью которых расшифровываются нейронные сигналы. В 2010-х большим подспорьем стал искусственный интеллект (ИИ): поиск закономерностей в электрической активности мозга – это стандартная задача статистического анализа, с которыми успешно справляются обучаемые нейросети. В результате нейроинтерфейс из регистратора ЭЭГ превращается в интеллектуальное устройство, улучшающее свои качества по мере накопления опыта. Так, система Smart Prosthetics, представленная в 2020 году в Университете Джонса Хопкинса (США), включает роботизированные руки, нейроинтерфейс и связывающее их воедино «умное» ПО.

Роботизированные руки с обратной связью оказались достаточно точны, чтобы доброволец Роберт Хмелевский смог оперировать ими во время приема пищи

Johns Hopkins Applied Physics Lab.

Другой любопытный пример использования ИИ – комплекс «Когниграф», созданный в Московском физико-техническом институте (МФТИ). Ученые предложили участникам эксперимента просмотреть множество видеороликов на определенные темы и выяснили, как тот или иной сюжет отражается на ЭЭГ. После этого они научили нейросеть воссоздавать кадры, «проплывающие» в человеческом мозгу. Как говорят в МФТИ, уже к 2025 году пользователи нейрогарнитуры смогут запечатлеть собственный сон. Поначалу качество картинки будет невысоким (судя по показанным примерам – на уровне видео, снятого на мобильный телефон начала 2000-х), но определить характер сна можно будет вполне достоверно.

Одновременно ведутся работы над двунаправленными нейроинтерфейсами, которые умеют не только принимать, но и посылать сигналы в мозг. Это важно для улучшения тех же протезов: попробуйте выполнить простое действие рукой с притупленным осязанием (например, под действием анестетика), и вы поймете, как сложно контролировать ее в таком состоянии. То есть для уверенной моторики нужно не только видеть, что делаешь, но и получать тактильную обратную связь.

Такие интерфейсы уже существуют: осенью прошлого года сотрудники Университета Джонса Хопкинса снабдили обратной связью роботизированные руки добровольца Роберта Хмелевского, и тот смог довольно точно оперировать ими во время приема пищи. Но это возможно только в инвазивных устройствах.

Последние могут получить большее распространение, если будет найден легкий способ установки подкожных чипов. В этом плане представляет интерес программа Reliable Neural-Interface Technology, которую финансирует исследовательское агентство при Минобороны США (DARPA). Она включает эксперименты по доставке в мозг стентродов – курсирующих по кровеносной системе микрозондов, выполняющих роль электродов. То есть в этом случае для чипирования действительно хватит обычной инъекции – в полном соответствии с сетевыми страшилками.

Еще один важный тренд – разработка беспроводных нейроинтерфейсов. Они удобнее в эксплуатации, чем громоздкие «шапочки» с проводами, что расширяет потенциальную область применения. В апреле этого года команда ученых BrainGate (США) опубликовала статью, рассказав об успешных испытаниях прибора Brown Wireless Device. Он представляет собой прямоугольный передатчик размером с чайный пакетик и весом 43 грамма, закрепляемый на голове поверх имплантированных в мозг электродов. Как утверждают в BrainGate, это первый подобный интерфейс, работающий с той же скоростью и эффективностью, что и его проводные аналоги.

В мае похожее изобретение презентовали специалисты из Тяньцзиньского университета (Китай). Беспроводной шлем-ободок Braintalker способен передавать компьютеру до 108 различных мысленных команд. Если верить ученым, Braintalker почти готов к выходу на массовый рынок. Также планируется использовать его в китайских космических программах.

По мнению футуролога Кирилла Игнатьева, будущее неинвазивных интерфейсов выглядит интереснее. «Сегодня интенсивно развиваются дистанционные технологии, не требующие прямого контакта, поэтому представление о чипировании как о физическом вторжении в мозг будет постепенно устаревать, – рассказал он «Профилю». – Вживление электродов – это переходная технология, соответствующая сегодняшнему пониманию того, как можно взаимодействовать с мозгом. К тому моменту, как мы научимся качественно считывать его сигналы, чипы уже не понадобятся».

«Нейрокружево» от Маска

Рассказ о нейроинтерфейсах был бы неполон без упоминания самого известного проекта в этой сфере – Neuralink. Повышенное внимание к калифорнийскому стартапу объясняется просто: его основал Илон Маск. Причем он подошел к делу с типичным для себя размахом.

«Благодаря смартфону вы можете ответить на любой вопрос мгновенно. Ваш телефон в совершенстве запоминает видео и изображения. Он стал вашим продолжением, вы уже стали киборгом», – заявил Маск во время запуска Neuralink в 2016 году.

По мнению миллиардера, пока между биологической и цифровой сущностями человека течет «тонкая струйка» информации, но пора превратить ее в «мощный поток». Если люди массово обзаведутся нейроинтерфейсами («цифровым слоем над корой головного мозга»), можно будет создать единый мегамозг, объединив человечество в «нейрокружево» (neural lace, этот образ Маск позаимствовал у писателя-футуролога Иэна Бэнкса). Это ни много ни мало вопрос выживания человеческой расы. Ведь искусственный интеллект вскоре станет умнее нас, а значит, возникнет риск порабощения людей машинами. Чтобы не утратить контроль над техникой, необходим плотный симбиоз. «Не можешь победить их – объединяйся с ними», – призывает Маск.

Что делается для достижения этой цели? В 2019 году была представлена первая версия инвазивного интерфейса Neuralink – массив из 3072 электродов, объединенных в 96 тончайших нитей. Спустя год появилась вторая версия: число электродов сократилось до 1024, а нейрочип приобрел форму монеты диаметром 23 мм и толщиной 8 мм. Такие чипы были имплантированы нескольким подопытным свиньям, животные перенесли операцию хорошо. А в начале 2021 года Neuralink опубликовала эффектное видео с чипированной обезьяной, силой мысли играющей в компьютерную игру.

До конца года компания планирует начать эксперименты на людях. Впоследствии, по уверениям Маска, с помощью чипа Neuralink можно будет управлять электрокарами Tesla, играть в Starcraft, слушать музыку «в голове», контролировать свое эмоциональное состояние и так далее. Вопрос с питанием девайса решен: пока владелец спит, чип будет заряжаться дистанционно с помощью магнитного устройства, емкости аккумулятора хватит как раз на день.

Параллельно в Neuralink работают над скоростной системой имплантации чипов. Разработанный компанией робот-хирург устанавливает до шести электродов в минуту. Это все еще хирургическая операция с трепанацией черепа, но в перспективе Neuralink планирует тратить на нее не более часа и проводить под местной анестезией. Это позволит отказаться от длительной госпитализации пациента, которая требуется в наши дни. По словам Маска, чипирование станет столь же доступным, как лазерная коррекция зрения.

«Маск обладает большим чутьем на авангардные темы, хотя не все его проекты становятся успешными, – комментирует Кирилл Игнатьев. – Получится ли с Neuralink, предсказать трудно, но в целом это хороший пример того, как инициатива в сфере нейротехнологий, которую раньше связывали с государственными инвестициями, переходит в руки частного бизнеса. Тот же процесс мы наблюдаем в космонавтике, и его тоже иллюстрирует Маск со своей компанией SpaceX».

«То, что Маск обратил внимание на нейроинтерфейсы, замечательно, – делится с «Профилем» венчурный инвестор, сооснователь фонда TMT Investments Герман Каплун. – Новым технологиям помимо решения технических проблем нужно убедить массы, что это классно, удобно и безопасно. Многие отличные проекты не справились со второй частью. Люди же вроде Маска растапливают лед и освобождают дорогу всем, а не только себе. История показывает, что, когда для появления прорывных идей созданы предпосылки, они сами приходят в голову разным людям. Поэтому столько споров о том, кто изобрел радио или сделал другие открытия».

По мнению экспертов, будущее за неинвазивными интерфейсами, не требующими вживления в мозг (на фото: гарнитуры компании NeuroSky)

Paul Sakuma/AP/TASS

Аватары среди нас

По словам Кирилла Игнатьева, нейроинтерфейсы обещают колоссальные возможности по апгрейду интеллекта и психики. «Ближайшая перспектива – расшифровка визуальных сигналов, – считает футуролог. – Уже сейчас есть экспериментальные решения, повышающие качество зрения человека с помощью анализа его нейронной активности. Примерно к 2030-м люди смогут делиться в соцсетях картинкой своего зрения, пусть сначала для этого потребуются посреднические гаджеты вроде очков дополненной реальности. Дальше нас ожидают более интересные решения – например, технологии блокирования нежелательных мыслей, депрессивных и суицидальных состояний».

Среди футурологов популярна концепция трансгуманизма (а также «цифрового бессмертия», «выгрузки разума» и т. п.). Согласно ей, физическую оболочку человека нельзя сделать вечной (так как химические процессы старения представляются необратимыми), зато в будущем появится возможность перенести мозг на цифровой носитель, а потом установить его в новый организм.

«Если вдуматься, в этом нет ничего сверхъестественного, – утверждает Игнатьев. – Раньше мы хранили воспоминания в дневниках и фотоальбомах, сейчас загружаем личные архивы в интернет-облако. Остался всего один шаг до синхронизации в облаке всей памяти. Это не означает, что непременно нужно выращивать физического клона. Просто после смерти будет оставаться подробный цифровой образ человека, и наверняка появится возможность с ним пообщаться, как сегодня мы общаемся с умными устройствами».

«Цифровая копия мозга – реалистичная перспектива, – соглашается Герман Каплун. – Думаю, в течение 20 лет мы сможем увидеть и пересадку в живого клона. Однако возникает философский вопрос: является ли клон, действующий и думающий, как вы, продолжением вашей личности? Или, скорее, это ваш брат-близнец? В целом этические факторы определят то, какое место в нашей жизни займут нейроинтерфейсы. Уверен, что как минимум в странах «золотого миллиарда» будет запрещено вторжение в мозг в рекламных целях. А где-то чтение мыслей наверняка станет инструментом полиции…».

С учетом того, как болезненно сегодня воспринимается в обществе тема чипирования, можно предполагать, что внедрение BCI-технологий не обойдется без протестов. Но этические вопросы будут решаться, уверен Игнатьев.

«Можно вспомнить открытки начала XX века, где над Москвой будущего изображались тучи дирижаблей, – говорит эксперт. – В тот момент дирижабли были пиком прогресса, но уже через полвека они ушли в прошлое. Не нужно повторять ту ошибку и проецировать на будущее реалии сегодняшнего дня. Так оно всегда будет выглядеть страшно. Но мир развивается, и в итоге человек всегда подчиняет себе технологии. Можно привести в пример беспилотные автомобили: сейчас еще они ориентируются на дороге хуже человека, поэтому их почти не пускают на трассы общего пользования. Но лет через 10–15 автопилот превзойдет людей в искусстве вождения машины, и сегодняшние ограничения будут естественным образом сняты. По такому же пути прошли беспилотные летательные аппараты и подводные лодки».

Чужая голова – потемки

Главным же барьером на пути нейротехнологий остается наша ограниченность в познаниях о мозге. Это текучая, постоянно меняющаяся система, причем функционирующая далеко не идентично у двух разных людей.

«У нас до сих пор нет идей, как сопоставляются физические, электрические и гормональные процессы в мозге с метафизическим актом зарождения мысли, творчества, – объясняет «Профилю» председатель Лиги независимых ИТ-экспертов Сергей Карелов. – На этот счет есть много теорий, но все они экспериментально не проверяемы. Для наглядности давайте представим смартфон. Если взять тончайшее сверло и начать просверливать его корпус в разных местах, вы обнаружите, что одна дырочка никак не повлияет на работу, другая приведет к тому, что быстро разрядится аккумулятор, из-за третьей перекосится картинка на экране, а из-за четвертой вообще все потухнет и больше не включится. Но сделать так, чтобы путем просверливания дырочек смартфон взял и позвонил на другой смартфон, вы не сможете».

Примерно то же происходит с изучением мозга, отмечает Карелов: «Долгое время считалось, что его области связаны с определенными функциями: это место отвечает за страх, это определяет голос, этот нейрон распознает одного человека, тот нейрон – другого. Но последние открытия сильно спутали карты ученым. Выяснилось, что даже краткосрочная память мигрирует: сегодня она локализуется в одном участке мозга, завтра в другом. Нет понятия адресности, как в компьютере, где каждый бит лежит в определенной ячейке. Мозг – это постоянная динамика, больше всего он напоминает океан, в котором идет постоянное перемешивание воды. Таким образом, подключение электродов к мозгу – это все равно что опускание щупов в океан».

До тех пор, пока не прояснены эти вопросы, нейроинтерфейсы будут иметь строго ограниченный функционал, считает Карелов. «Рассказы о том, что еще чуть-чуть, и мы начнем читать мысли друг друга, – это чистый хайп, маркетинговые ходы для получения грантов и инвестиций. Даже Илон Маск ничего подобного сейчас не имеет в виду. Его реальная цель – это производство медицинских нейроинтерфейсов для инвалидов. Это вполне денежная в западных странах ниша. Но пиариться на ней было бы не слишком этично, поэтому можно красиво поговорить про будущее. К счастью или сожалению, оно дальше от нас, чем кажется», – резюмирует эксперт.

Сейчас на главной
Статьи по теме
Статьи автора