 Александр Каплан держит у себя на столе последнюю разработку лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультетата МГУ. Фото:Сергей Авдуевский/ИДР /ИТАР-ТАСС |
Достижения последних двух лет по созданию интерфейсов «мозг — компьютер» позволят полностью парализованным людям путем прямых подключений общаться с внешним миром. А неинвазивные технологии пригодятся и здоровым пользователям. Надежда Маркина открывает мир управления мозгом вместе с российским нейрофизиологом Александром Капланом.
Глаза вместо кнопки
Передо мной на столе небольшой робот, его лицо светится дружелюбием, он необыкновенно симпатичный для неодушевленного существа. Смотрю ему в глаза, и робот начинает подмигивать мне то правым, то левым, причем разными цветами — красным, синим, зеленым. Мы в лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ. Руководитель лаборатории доктор биологических наук Александр Каплан и старший научный сотрудник кандидат биологических наук Арина Кочетова демонстрируют возможности интерфейсов «мозг — компьютер» (ИМК). Перед экспериментом Арина надевает мне на голову «шапочку» с электродами, которые регистрируют электроэнцефалограмму (ЭЭГ). После настройки я вижу на экране компьютера электрические волны своего мозга. «Гляделки» с роботом нужны, чтобы откалибровать систему, научить ее отслеживать мои реакции на разные стимулы. «Робот мигнет правым или левым глазом каким-то цветом пять раз подряд, — объясняет Арина. — Это значит, что вы должны считать подмигивания этим цветом в этом глазу, а программа будет регистрировать реакцию вашего мозга на стимул. Всего шесть циклов по десять подмигиваний». После обучения можно так же отдавать роботу команды — в ответ на подсчет красных подмигиваний правым глазом он поднимает руку и приветствует человека. Всего возможно шесть вариантов стимулов — два глаза, три цвета, и на каждый стимул запрограммировано определенное действие. Симпатичный робот французского производства появился в лаборатории благодаря гранту фонда «Сколково». Создатели позиционируют его как помощника по хозяйству — его можно посылать за почтой и за тапочками или попросить почитать любимую книгу, которая у него в голове. Он многое умеет, но изначально управляется при помощи компьютера. Российские нейрофизиологи хотят сделать общение с роботом максимально человечным. А что может быть человечнее, чем посмотреть в глаза?
Уже несколько лет в лаборатории Александра Каплана работает другой интерфейс «мозг — компьютер», с помощью которого можно набирать текст на мониторе глазами, то есть, конечно, не глазами, а электрической активностью мозга. При калибровке перед испытуемым мелькают подсвечиваемые ряды букв в матрице, а его дело — подсчитывать появления одной определенной буквы. Затем он может так же «загадывать» свою букву, мысленно отмечая те моменты, когда она будет подсвечена, — и буква появится на экране. Так, буква за буквой, набирается текст. «Принцип здесь такой, — объясняет Александр Каплан, — система собирает реакцию от всех букв, но на значимую букву электрическая реакция (вызванный потенциал) будет немного иная, чем на остальные. Так создается модель реакции на значимый стимул». На основе этой модели система «угадывает» выбранную испытуемым букву. «При наборе текста посредством нейрокоммуникатора оператор может совершить 3–5% ошибок — не больше, чем при наборе на клавиатуре, — уточняет профессор Каплан. — Правда, способ этот довольно медленный — 13–15 символов в минуту (при стандартном наборе 90–100 символов в минуту)». Но для человека полностью парализованного (запертого в своем теле: locked-in синдром) это единственный способ получить возможность общения с внешним миром.
В роботе исследователи применили тот же принцип общения, но задались целью уменьшить матрицу. Как предложила Арина Кочетова, в одной и той же позиции можно совместить разные стимулы — например, в одном глазу робота могут меняться разные цвета. На первых порах ученые взяли три цвета и получили шесть стимулов, которым соответствуют шесть вариантов поведения. В будущем Арина собирается увеличить число команд — совместить шесть цветов в каждом глазу, так что число запрограммированных действий возрастет до двенадцати. Для помощника по хозяйству этого вполне достаточно. «Получается гуманоидное общение — без всяких кнопок, пультов, — продолжает Александр Каплан. — Это похоже на то, как люди общаются между собой: мы ведь можем угадывать какие-то желания собеседника без слов — по глазам, мимике. Мимика тоже не за горами, потому что лица роботов становятся всё более подвижными, сейчас есть такие, у которых кожа неотличима от человеческой, она движется и дышит. Специальные тяги под кожей создают мимику».
История вопроса
Идея снабдить мозг дополнительным выходом берет начало в 1950-х годах, когда почти одновременно было сделано несколько открытий. Американский нейрофизиолог Нил Милнер (Neil Milner) показал, что крыса, если ее до этого довести, способна управлять давлением крови в хвостовой артерии. Для этого надо всего лишь прикрепить ей на хвост датчик давления и давать пищу тогда, когда давление превысит некое значение. Голод — мощный стимул к тому, чтобы крысиный мозг научился управлять таким жизненным показателем, который ему не приходится контролировать в обычной жизни. Другой американский нейрофизиолог Джо Камийя (Joe Kamiya) продемонстрировал, что человек может регулировать ритмы своего мозга — усиливать и ослаблять альфа-ритм. А Эберхард Фетц (Eberhard Fetz) заставил обезьяну добывать себе пищу изменением активности одного-единственного нейрона коры мозга. Он связал активность первого попавшегося на электрод нейрона с подачей сока, и мозг обезьяны научился произвольно включать этот нейрон.
Эти работы продемонстрировали, что мозг, если его обучить, способен контролировать любой параметр организма. В 1970-х годах было сделано еще несколько важных открытий. Эдвард Деван (Edward Dewan) использовал находку Камийи, чтобы показать, что человек может манипулировать своим альфа-ритмом для кодирования букв, как в азбуке Морзе. Американский нейроинженер бельгийского происхождения Жак Видал (Jacques Vidal) в 1970 году получил первый грант на разработку интерфейса «мозг — компьютер» для управления внешними исполнительными устройствами в интересах военного ведомства.
Один из первых коммерческих манипуляторов — шлемофон с ЭЭГ-сенсором (разработка Neurosky Inc) позволяет манипулировать виртуальным объектом.
Мозгу не хватает выходов
Описанные устройства — это технологии интерфейсов «мозг — компьютер». О развитии этого направления, о его разновидностях и перспективах Александр Каплан рассказал недавно в школе для молодых ученых «Современная биология и биотехнологии будущего» в Пущино. Цель технологий в том, чтобы создать новый выходной канал для мозга. При всем совершенстве нашего мозга у него есть одна особенность: много входных каналов (все органы чувств, которыми мы воспринимаем мир) и только один выход — нервно-мышечный. Всё, что мозг продуцирует, — все мысли, эмоции, желания — можно выразить через непосредственное действие либо через слова, письмо, набор текста на клавиатуре компьютера, а это тоже работа нервов и мышц. Иного не дано. Все технологии интерфейсов «мозг — компьютер» — попытки создать искусственный выход, с помощью которого мозг мог бы рассказать о внутренних образах напрямую. Эти технологии развиваются уже около двадцати лет, но прорывными достижениями отмечены последние два года.
Искусственный мозг нам обещают через 10 лет
К самой амбициозной задаче — созданию модели целого мозга — уже приступил Генри Маркрэм (Henry Markram), руководитель Blue Brain Project Швейцарского федерального технологического института в Лозанне. На этот проект он получил беспрецедентный грант от Европейской комиссии на 1,3 млрд евро. Заявка поддержана Европейской комиссией как один из двух флагманских проектов Future and Emerging Technologies — FET Flagship Program. Силами международного консорциума и суперкомпьютеров ученые надеются за 10 лет получить динамическую работающую модель мозга человека. Такая модель, в которую включены 80 млрд нейронов мозга, по точности не идет ни в какое сравнение с нынешними. Она обеспечит гигантскую комбинаторику — ведь число комбинаций, которое способны породить все нейроны мозга, превышает число атомов во Вселенной.
Чип в мозге точнее, чем электроды на голове
Впрочем, для связи мозга с внешними устройствами электроэнцефалограмма не лучший инструмент, говорит Александр Каплан: «Каждый электрод собирает электрическое поле с площади 3 см2. Это очень много, в 1 мм3 содержится 100 тыс. нейронов. Расшифровать эту “кашу” очень сложно, потому что в случае с ЭЭГ мы работаем не с одиночным сигналом, а с суммой сигналов от сотен тысяч нейронов. Хороший сигнал можно получить на уровне активности отдельных нервных клеток, каждая размером в 10–20 микрон».
Для этого нужно вживлять электроды в мозг. В 1999 году Джон Чапин (John K Chapin) и Мигель Николелис (Miguel Nicolelis) провели эксперимент: крысу обучали двигать рычаг и с его помощью пододвигать к себе поилку. В ее мозг вживили микроэлектроды, каждый из которых собирал импульсы от группы окружающих нейронов. Посредством этих электродов система распознавала определенные электрические паттерны, соответствующие намерению крысы произвести те или иные действия. Так образовалась библиотека специфических паттернов нейронных импульсов. Уловив нужный паттерн, система угадывала крысиное желание и пододвигала поилку без всякого рычага. Иными словами, крыса двигала поилку «силой мысли».
В 2011 году Мигель Николелис создал интерактивный интерфейс «мозг — компьютер» с участием макаки-резуса, в мозг которой были вживлены электроды, регистрирующие активность нейронов сенсомоторной коры головного мозга. На экране перед обезьяной виртуальные диски и виртуальная рука. После того как она научилась нажимать виртуальной рукой на диск нужной текстуры, задача усложнилась. На большом расстоянии текстура дисков стала невидимой, и обезьяне нужно было пощупать диск виртуальной рукой, чтобы выбрать правильный. Для этого в ее мозге нужно было сформировать совершенно новую обратную связь. Экспериментаторы сделали это при помощи вживленных в сенсорную кору электродов, на которые подавали электростимуляцию двух типов — одна кодировала правильную текстуру, другая — неправильную. Искусственная стимуляция сработала — мозг обучился ощущать тактильные импульсы от виртуальной руки. В другом эксперименте обезьяна оперировала искусственной рукой-протезом, в то время как ее собственные руки были примотаны к креслу. На видеозаписи можно наблюдать, как она достает искусственной рукой кусочки пищи и подносит их ко рту. Конечно, этот успех — результат долгих тренировок.
Экзопротезы для движения
Это внешний каркас (панцирь, скелет), в общем, модель конечностей. Он управляется человеком при помощи вживленного в мозг чипа по тому же принципу, что и нейроманипуляторы, то есть в соответствии с моделью нейронной активности. Надев на себя эти «доспехи», парализованный человек сможет ходить. Мигель Николелис уже объявил, что в 2014 году на чемпионате мира по футболу в Бразилии первый удар по мячу сделает полностью парализованный человек, снабженный экзопротезом.
Испытано на людях
Наконец, нейрофизиологи перешли к человеку. Понятно, что вживлять электроды человеку в исследовательских целях никто не даст. Но есть заболевания, при которых это единственный способ вернуть пациенту связь с внешним миром. Джон Донохью (John Donoghue), профессор нейронаук университета Брауна (США), в мае 2012 года в статье в Nature опубликовал результат своей работы с женщиной, страдающей тетраплегией (это паралич всех мышц в результате травмы шейного отдела спинного мозга). Чтобы помочь женщине, ей в мозг вживили чип размером 4х4 мм, на котором размешены 96 микроэлектродов — иголочек полуторамиллиметровой длины. Иголочки аккуратно вкалываются в кору мозга через небольшое отверстие в черепе, микроэлектроды ловят активность отдельных нейронов. Всё это — чтобы женщина смогла научиться управлять кибернетической рукой. Так же как и в опытах с животными, электроды регистрируют паттерны нейронной активности, соответствующие намерениям женщины совершить какое-то движение. Для успешного владения манипулятором потребовалось долгое обучение — пять лет упорных тренировок, в начале которых женщина училась захватывать разные предметы, а к концу могла брать искусственной рукой термос, подносить ко рту и пить кофе через трубочку.
Еще лучших результатов добился в 2012 году Эндрю Шварц (Andrew Schwartz), профессор нейробиологии Миннесотского университета (США). У него также была пациентка с тетраплегией, и он разработал особую технику вживления двух чипов, на 100 электродов каждый, которые смогли поймать активность около 300 нейронов. По этим данным ученый построил более точную модель нейронной активности, соответствующую намерению совершить какое-либо действие. В основе модели лежит сложение векторов всех нейронов, которое дает вектор движения манипулятора. Эта пациентка, в отличие от предыдущей, говорила и комментировала свои действия. Она не только могла достать какой-то предмет для себя, но и откликалась на просьбу сотрудника, вошедшего в комнату, дать ему печенье.
А уже упомянутый Мигель Николелис смог вживить в мозг обезьяны 2 тыс. электродов и поставил рекорд, зарегистрировав активность 1874 (!) нейронов. По данным от этих нейронов он разрабатывает модель небывалой точности, которая сможет управлять экзопротезом.
Типы технологий «мозг — компьютер»
Нейрокоммуникаторы предназначены для трансляции символов непосредственно из мозга, без участия нервно-мышечной передачи. Именно к этому классу технологий относится устройство для набора текста на мониторе. Система создает каталог реакций ЭЭГ на целевые символы, отличая их от нецелевых стимулов, и, отслеживая эти реакции, отдает команду на набор выбранного символа на экране. Нейроконтроллеры позволяют напрямую от мозга управлять внешними исполнительными устройствами: манипуляторами, протезами, кнопочными пультами.
Для точного управления нужно создать модель нейронной активности предполагаемого действия. Собственно, такую модель строит наш мозг всякий раз, когда мы собираемся что-то совершить. Психологически человек ощущает эту модель как намерение. Если зарегистрировать паттерн ЭЭГ, соответствующий этому намерению, можно обучить систему отслеживать по ЭЭГ это самое намерение и выполнять его, отдавая команду манипулятору. Нейропротезы предназначены для того, чтобы заменить поврежденный фрагмент мозга, создав его электрическую модель. Первый пример — нейропротез гиппокампа, созданный Теодором Бергером (Theodor Berger) в 2012 году для крысы с поврежденным гиппокампом. Помещенный на поверхность черепа чип симулировал электрическую активность средней части гиппокампа. Это привело к восстановлению памяти.
Слева направо:
Управление инвалидным креслом силой мысли
Пациентка Эндрю Шварца учится управлять киберрукой
Работа с нейронами крысы
Технологии для обычной жизни
Вернемся к разработкам, которыми занимаются Александр Каплан и его коллеги по лаборатории в МГУ. Устройства российских нейрофизиологов основаны не на нейронной активности, а на ЭЭГ и заведомо менее точны. Но у них есть другое преимущество — они неинвазивны, не требуют проникновения в мозг.
«Они приемлемы для социума, — подчеркивает Александр Каплан. — Вживлять чип этически допустимо только тяжелобольным людям, для которых это единственный выход. При незначительных отклонениях никто не позволит этого делать. А технологии на основе ЭЭГ сможет использовать любой здоровый человек. Хотя на сегодня сфера их применения не определена, но вспомним, что еще недавно была не определена сфера применения ноутбуков. Но ноутбуки сами проложили себе путь.
Так же и здесь — когда нейроманипулятор станет маленьким и компактным, он будет востребован. Например, я работаю и решаю, что мне надо позвонить по телефону, а он берет трубку и подносит ее мне. И при этом можно обойтись без шапочки с электродами, регистрирующее устройство будет похоже на обычную бандану.
Безусловно, в будущем откроется много возможностей для таких технологий. Но на сегодняшний день бизнесмены пока не видят для них рынка, причем не только у нас, но и в США. Этот рынок надо формировать».
Фото: SPL/East News x3, AFP/East News, UPMC
