ENG
Добавить в избранное
Интервью, Технологии

Александр Каплан: Расшифровке поддаются 6 мысленных образов

Фантастические фильмы, в которых людям помогают не только усиленные механические детали, но апгрейдят с помощью чипов сам мозг, превращая его в киберкомпьютер, становятся все ближе к реальности. Например, с помощью нейроинтерфейсных технологий люди уже сегодня могут набирать тексты и управлять манипуляторами одними только мысленными усилиями, без голоса и движений. Все это основано на регистрации и расшифровке мозговой электрической активности. Пока нейроинтерфейсные технологии применяют только в медицине, для реабилитации, но это только первая проба и далеко не предел их возможностей. Можно ли нейроинтерфейсы использовать для здоровых людей, что мешает разработкам и каких прорывов ждать от науки, рассказал Александр Каплан, психофизиолог, доктор биологических наук, профессор МГУ имени М. В. Ломоносова, основатель первой в России лаборатории по нейрокомпьютерным интерфейсам.

Российская наука и ее сложности

— Есть ли у российских исследователей в области нейроинтерфейсных технологий прорывы, которыми можно похвастаться перед зарубежными коллегами, или мы только копируем велосипеды?

— Надо сказать, что первые нейроинтерфейсы, позволяющие управлять протезами от сигналов мышц, были разработаны именно в Советском Союзе еще более полувека назад под руководством одного из первых биокибернетиков В. С. Гурфинкеля. В советское время и нейрофизиологическая, и психофизиологическая науки поддерживались широким фронтом. Денег вряд ли было больше, чем сейчас, но они распределялись равномерно по всем секторам. Из-за этого не хватало оборудования, реактивов, но в то время недостаток материальных средств компенсировался энтузиазмом исследователей, получалось неплохо. А сейчас, может быть, и больше денег, но хватает их на поддержку только значимых научных направлений. Зато в этих направлениях мы, как правило, находимся на топовых позициях в мире. К примеру, в нейроинтерфейсных исследованиях — в области фундаментальных разработок российские исследователи публикуются наравне с зарубежными, но по спектру приложений этих технологий мы явно отстаем. Но нам и не стоит соревноваться с мировой наукой по всему фронту, так как в мире ученых несравненно больше, чем в отдельно взятой стране. Очевидно, что надо концентрировать усилия именно в прорывных областях, которые определяют будущее. Исследования в области нейроинтерфейсных и нейрогибридных подходов в области искусственного интеллекта как раз ведут к прорывным решениям. Российскими исследователями созданы и впервые в мире внедрены в клинику нейроинтерфейсные технологии для замещения коммуникации («Нейрочат») и для восстановления движений («Экзокисть-2») для пациентов после инсульта.

— Американская наука развивается лучше из-за более привлекательных условий труда или причина в другом?

— Причин несколько. Во-первых, в США самый большой рынок труда для научных сотрудников. Во-вторых, наука, как и любая сфера деятельности человека, нуждается в сервисе: от менеджмента получения научных статей и поставок оборудования до бухгалтерских операций. У нас по какой-то давней традиции сервисными делами в значительной мере занимаются сами научные сотрудники. Чего стоит один только сбор подписей чиновников на любой бумаге, чтобы получить разрешение на приобретение компьютерных аксессуаров, расходников или командировку. Наконец, в-третьих, важна интеграция науки внутри страны, так как почти все прорывные области сейчас мультдисциплинарны. Научные сотрудники из разных областей, нейрофизиологи, математики, инженеры должны быстро договариваться между собой, организуя новые кооперации, но у нас это обязательно должно сопровождаться какими-то официальными договорами с массой подписей, даже если дело не требует взаимных финансовых расчетов.

Еще одно важное обстоятельство: вовлечение молодежи в науку, особенно после окончания вузов и аспирантуры. Как правило, они оказываются вне стен воспитавшего их вуза, для них нет позиций, нет жилья, нет финансирования. У меня в лаборатории традиционно работает около 60% студентов и аспирантов не москвичей. По окончании у них нет ни жилья, ни постоянного места работы. Я стараюсь разными способами, поддержкой с грантов или коллаборацией с коллегами, закрепить их в науке. Но понятно, что все это временно. Как бы им, к примеру, пригодилось служебное жилье. Но такового нет. Все это очень затруднено у нас, поэтому, не найдя путей развития и способов решить все эти трудности, многие уходят из профессии или уезжают за границу.

Но есть и обратный процесс, который многих ученых удерживает от эмиграции, — это традиционный для нашего образования и нашей научной среды дух целостного понимания явлений природы, ощущение того, что занимаешься не только деталями, не столько разработками для бизнеса, но решаешь ключевые проблемы фундаментальной науки. В нейрофизиологии и психофизиологии такой подход идет еще от зачинателей этих областей в мире — наших ученых Сеченова, Павлова и многих других.

— Чего к сегодняшнему дню удалось добиться в сфере нейроинтерфейсных технологий в вашей лаборатории?

— Что же, мы впервые в РФ и достаточно быстро, к 2005 году, освоили нейроинтерфейсные технологии, которые долгое время были прерогативой американских и европейских лабораторий. Уже в 2011 году наши лабораторные макеты позволяли человеку набирать тексты одними мысленными усилиями по скорости и точности набора не хуже, а то и лучше американских. А к 2018 году совместно с компанией «Нейротренд» мы разработали и внедрили в медицину первый в мире универсальный комплекс «Нейрочат», позволяющий людям с тяжелыми нарушениями речи и движений не только набирать тексты, но и работать в социальных сетях, управлять набором бытовых устройств и приводами инвалидного кресла. В настоящее время более 500 комплексов «Нейрочат» находятся на эксплуатации в клиниках разных городов РФ и на руках у частных пользователей.

— Чем на сегодняшний день занимается ваша лаборатория?

— Замечу, что все наши технологии основываются на так называемом неинвазивном подходе, то есть на регистрации электрических потенциалов мозга с кожной поверхности головы без каких-либо повреждений. А это очень затрудняет расшифровку сигналов мозга, так как, проходя через кости, мышцы, кожу, эти сигналы сильно, в миллион раз, ослабляются, зашумляются и в конце концов представляют очень серьезную математическую проблему для декодирования. Вот приходится изобретать все новые алгоритмы и новые нейрофизиологические методы для того, чтобы расшифровывать, к примеру, не просто мысленные усилия по набору букв, но сами психические образы, например представления движения руки или тактильного ощущения. Владение этими образами позволяет пациентам более эффективно и с большей гарантией восстанавливать движения после инсульта. Мы также обнаружили, что далеко не у каждого здорового человека хорошо с воображением. Здесь наши технологии позволят тренировать воображение, а это путь к повышению творческого потенциала человека.

Трудности работы с мозгом и создания нейроинтерфейсов

— В настоящее время разработчики нейроинтерфейсных технологий все еще не удовлетворены сравнительно небольшим числом каналов регистрации активности нервных клеток внутри головного мозга. Чтобы решить эту проблему, постоянно изучаются новые методы и способы, появляются новые разработки. Недавно Neuropixels выпустили зонды, которые могут одновременно регистрировать активность сотен нейронов в разных частях мозга. Насколько эта разработка продвинет исследования механизмов мозга?

— Если говорить о так называемых инвазивных технологиях, когда электроды для регистрации нервных клеток погружаются непосредственно в мозг, то вот уже около 15 лет ученые используют блоки 100 электродов, вживляемых в мозг по несколько штук. Но в самое последнее время две команды, международный коллектив авторов и компания Илона Маска, создали технологии Neuropixels и Neurolink соответственно, которые позволяют внедрять в мозг десятки тысяч контактов для регистрации сигналов отдельных нервных клеток. Несомненно, это большое техническое достижение, которое позволит вывести изучение механизмов мозга на очень высокий уровень. Однако эти подходы неминуемо сопряжены с введением электродов непосредственно в мозг, что никак невозможно для исследований с участием здоровых людей. Даже если и будут получены записи десятков тысяч одновременно работающих нервных клеток, то отсутствие хороших теорий о их координированной деятельности не позволит подойти к расшифровке сигналов. Здесь еще трудно говорить о создании нейроинтерфейсов, полезных для здорового человека.

— Каковы сегодня главные препятствия, стоящие на пути разработчиков нейроинтерфейсов, что здесь самое трудное и в каком направлении, на ваш взгляд, лежит решение этих проблем?

— Итак, нейроинтерфейсы — это технология, позволяющая расшифровывать намерения человека на основе регистрации электрической активности его мозга и уже электронным путем передавать эти намерения в качестве команд для внешних исполнительных устройств. Таким образом, ключевым узлом всей технологии является анализ электрических сигналов мозга, в частности для расшифровки мысленных образов. Исследователи во всем мире подошли сейчас к тому, что расшифровке поддаются всего 4–6 мысленных образов. Причем не любых, а только связанных с телом: лучше всего — представление движения левой или правой руки.

Если задумывать апельсин или паровоз, или другие отвлеченные от тела образы, то за 20 лет работы в этой области не удалось создать систему для устойчивого детектирования таких образов по энцефалограмме.

Дело значительно облегчается, если электроды устанавливать не на кожной поверхности черепа, а в глубине мозга, да еще не 20–30 сразу несколько сотен, а то и тысяч. Но это уже другая технология, которая здоровым людям не подходит. А для пациентов — под вопросом, потому что это дорого и рискованно, пока больше приносит пользы для ученых, чем для самих пациентов.

Наш новаторский подход сейчас заключается в том, чтобы для распознавания образов по ЭЭГ использовать искусственные нейросети не в пассивном варианте, когда они просто учатся различать предлагаемые варианты записей ЭЭГ, условно говоря, когда человек думает про апельсин или про паровоз. Это должны быть искусственные нейросети, которые на основе специальной тренировки сами предлагают варианты ответа, что зашифровано в ЭЭГ, и, получив ответ мозга «да» или «нет», корректируют свое решение и предлагают новый вариант. Находящийся на связи с такой генеративной нейросеткой мозг тоже может идти ей навстречу, модифицируя ритмы ЭЭГ для скорейшего распознавания сеткой правильного образа. Это фактически путь к созданию языка общения между мозгом и искусственным интеллектом. Если такое получится, мы получим нейроинтерфейсные системы совершенно нового поколения, содержащие в себе канал интерактивного общения «мозг-компьютер».

— Почему за 20 лет разработки инвазивных нейроинтерфейсных систем, то есть с вживлением электродов в мозг человека, всего в мире сделано не больше трех десятков таких операций? 

— Во-первых, как мы уже говорили, это не такая дешевая процедура, требующая к тому же многих месяцев обучения пациентов использованию этих электродов, например, чтобы с помощью манипулятора поднести стакан ко рту. Гораздо дешевле уже будет держать сиделку при таком пациенте. Во-вторых, вживленные в мозг электроды все-таки являются инородными телами и постепенно обволакиваются соединительной тканью, которая мешает регистрации электрической активности. Через 2–3 года такие электроды приходят в негодность. А новое вживление требует повторения всех процедур, включая обучение, заново. Поэтому пока не наблюдается массового распространения таких технологий.

Практическая ценность нейроинтерфейсов и будущее технологии

— Насколько реальным, эффективным инструментом стали сегодня нефроинтерфейсы в реабилитационной медицине?

— Достаточно реальным, чтобы использовать их в больницах для замещения речи и восстановления двигательных функций. Мы уже говорили, что в РФ для этих целей созданы реально действующие в больницах комплексы «Нейрочат» и «Экзокисть».

Недавно в журнале Nature была опубликована статья, в которой американские ученые показали возможность с помощью 200 вживленных электродов с пойманными на их кончики 127 нервными клетками раскодировать мысленную работу руки при написании букв. На экране появлялись буквы, написанные как бы рукой пациента, но мысленно! Технология позволяет набирать 50 букв в минуту — это немногим меньше, чем если бы эту работу мы выполняли пальцами на клавиатуре компьютера. Правда, для этого нужна нейрохирургическая операция с открыванием черепа и вживлением 200 электродов, и ненадолго: не более чем на 2–3 года.

Сейчас нейроинтерфейсы применяются исключительно для пациентов с ограничениями. Насколько привлекательной является мысль по разработке таких интерфейсов для здоровых людей?

— Для примера из нашего опыта: изначально разработка «Нейрочат» ориентировалась только на людей, которые страдают тяжелыми расстройствами речи и движений. Сейчас мы совершенствуем технологию, придаем ей функции тренировки внимания и оперативной памяти. Ведь при работе в «Нейрочате» требуется активное фокусирование внимания на нужной букве. Следовательно, если у человека есть дефицит внимания, «Нейрочат» может выступить для него хорошим тренажером. Только буквы могут быть заменены на пиктограммы, само тестирование переведено в игровой режим, таким образом новая версия «Нейрочат-Про» может пригодиться уже и здоровым людям и особенно детям с дефицитом внимания. Фактически версия «Нейрочат-Про» уже заработала. Сейчас идет обработка данных, полученных на пациентах и здоровых людях.

— На ваш взгляд, не могут ли в конечном итоге усилия по разработке нейроинтерфейсов привести к решению задачи по пересадке мозга в кибернетическое тело?

— Нам нужно понимать, что в нормальном состоянии многочисленные рецепторы от всех органов чувств и других органов тела непрерывно поставляют мозгу необходимую ему информацию. Извлечение мозга из своего тела, конечно же, приведет к отсечению его от всех источников внешней информации. Увы, пересадка мозга из своего тела в любое другое приведет к неминуемой потере всей персональной памяти, а вместе с тем и личности человека. Это не говоря уже о том, что сама операция по извлечению мозга с сохранением его жизнедеятельности из черепа пока находится за гранью возможного.

— Еще одной сферой применения нейроинтерфейсных технологий является управление искусственными внутренними органами, разработка которых уже находится на стадии испытаний. Означает ли это возможную киборгизацию человеческого тела в будущем?

— Смотря как понимать термин «киборгизация». Если это постепенная замена вышедших из строя органов на искусственные, да, нейроинтерфейсные технологии позволят связать искусственные органы с естественным мозгом; при этом сущность человека, его личность останется в значительной мере неизменной. Поэтому такого человека нельзя будет назвать киборгом, как мы не называем таковым человека с протезами конечностей, суставов, сердца и других органов.

— Как вы смотрите на перспективу создания интерфейса «мозг-мозг»? 

— Мы уже рассматривали перспективы создания интерфейса «мозг-искусственный интеллект». И видели перспективу такой комбинации именно в том, чтобы искусственный интеллект существовал как помощник естественному, был как бы «на подхвате». Чисто теоретически, конечно, с еще большим основанием можно создать интерфейс «мозг-мозг», но цель такого объединения выглядит совершенно непонятной. Здоровые люди всегда могут обменяться информацией по самым разным каналам общения. Идея вживления в мозг электродов ради создания дополнительного, очень медленного и узкополосного канала обмена информацией, да еще сопряженного с рисками повреждения и инфекционного заражения мозга, даже для научно-фантастического рассказа выглядит нелепо.

— Как, по вашему мнению, будут развиваться науки психофизиология и нейрофизиология, каких прорывов ждать?

— Сейчас на очереди у нейрофизиологов, психофизиологов и психологов — научное объяснение механизмов возникновения и функционирования субъективного мира человека, его психики. Однако у нас нет инструментов для погружения в психический мир человека на полную его глубину, чтобы исследовать, как в сетях десятков миллиардов нервных клеток рождаются наши мысли, образы, сама ментальная модель физического мира. Сейчас даже нет однозначного ответа на вопрос, зачем нужен столь богатый, выражаемый многими десятками тысяч понятий и слов субъективный мир. Живут же животные без огромного запаса слов и чувствуют себя на Земле ничуть не хуже, чем человек. Что же, мы ждем появления новых теорий мозга, в которых многомиллиардные сети естественных нейронов будут выстроены в подчиненном отношении к продуктам своей деятельности, к ментальному миру, построенному на опыте персональной жизни человека.

Беседовала Кристина Фирсова

Подписывайтесь на канал «Инвест-Форсайта» в «Яндекс.Дзене»

Вам понравился этот текст? Вы можете поддержать наше издание, купив пакет информационных услуг
Загрузка...
Предыдущая статьяСледующая статья