Силой мысли. Когда нейрошлем придет на замену компьютерной мышке?

Отличный фильм 1995 года -  Джонни-Мнемоник с Киану Ривзом, рассказывает, что в 2021 году у людей будет полноценный нейроинтерфейс, имплантированные в мозг флешки (кстати, по фильму, максимум всего-то 160 Гб) да и вообще киберпанк во всей красе и всех слоях общества. Если что, то ученым остался всего год и один месяц чтобы успеть, а мы пока посмотрим, какие наработки у них есть.

 Сегодня технологии класса «мозг-компьютер» находятся в зачаточном состоянии. Нет, конечно, есть опытные образцы, отдельные модели, и даже экзоскелет, который позволил парализованному болельщику в 2014 году сделать удар по мячу силой мысли, однако до массового производства пока еще далеко. Между тем, многие отрасли с большими деньгами продолжают инвестировать в разработки: первой идет медицина, второй – развлекательная отрасль с игрушками и фильмами для взрослых, третья – промышленное производство и робототехника.

Прогресс или стагнация?

 Согласно исследованию Allied Market Research, рынок нейроинтерфейсов растет большими темпами и уже в 2020 году составит порядка 1,46 млрд долларов. Согласитесь, внушительная цифра, чтобы подстегнуть ученых быстрее заниматься данной проблемой и предоставить уже современный шлем с проводочками вместо компьютерной мышки.

 При этом нельзя сказать, что попыток не было. Так в 50-годах ХХ века внедрялся интерфейс в мозг быка, постоянно проводятся эксперименты на мышах, а в 1998 году был внедрен первый нейроинтерфейс в мозг человека. Художник и музыкант Джонни Рей, полностью парализованный,  управлял курсором на экране компьютера, медленно набирая текст.

В 2012 году в США Эндрю Шварц из Питсбургского университета представил миру 53-летнюю полностью парализованную пациентку с  имплантированным электродом, который посылал сигналы роботу-помощнику. В конце концов, методом проб и ошибок, Шварц добился такой передачи сигнала, что робот смог взять со стола и подать пациентке шоколадку.

В 2016 году 28-летний парализованный пациент, с тяжелой травмой позвоночника смог уже самостоятельно, без всяких роботов,  подать управляемую от мозга искусственную руку для пожатия президенту Бараку Обаме. Правда, здесь так и не было непонятно, была ли это работа только головных датчиков и не дублировалась ли она неинвазивными датчиками, которые крепятся непосредственно на руку, так как с нее можно тоже считывать электрические сигналы, причем гораздо эффективнее, чем со сложной коры головного мозга.

Собственно говоря,  вся загвоздка в массовом и быстром развитии данных технологий  в том, что человеческий мозг – очень сложный компьютер, и довести нейроинтерфейс до совершенства можно лишь одним путем – создать компьютер превосходящий мозг. Такой прорыв случился сравнительно недавно, когда появлялись мощные процессоры, дата-центры обработки данных и новые алгоритмы мышления. К примеру, если первыми протезами можно было управлять только в режиме «разогнуть-согнуть» руку, то теперь, вживив на участке мозга около 100 электродов, своевременно и полноценно обрабатывая их сигналы, группируя это в общий поток данных, можно уже полноценно шевелить пальцами руки.

Как это работает?

Вы проходили электроэнцефалограмму в стандартной поликлинике, к которой вы прикреплены по месту жительства? Нейроинтерфейс работает точно также – считывает мысленные команды человека, определяя участки электрической активности мозга. В случае нейроинтерфейса это происходит также за счет датчиков – инвазивных или неинвазивных.

Из названия понятно, что неинвазивные это те, которые не надо вживлять мозг. По сути,  это стандартный шлем с присосками, которые мы видели в фантастических фильмах, и как вы догадываетесь, работать такой аппарат будет не так эффективно, как инвазивный. Хотя, все может измениться с развитием технологий, и для того чтобы управлять армией роботов силой мысли не обязательно будет пихать себе в мозг электроды.

Однако вернемся к инвазивным датчикам.  На сегодняшний момент для их активации требуется полноценная операция. Электроды вживляются прямо в кору мозга – маленькая пластиночка пять на пять миллиметров, покрытая сотнями иголочек – электродами. Они будут регистрировать активность нервных клеток на участке внедрения мозга, и передавать их на принимающее устройство: компьютер, протез, робот-помощник. Почему же сотни инвалидов, которые прямо сейчас готовы себя кибернизировать не выстраиваются в очередь за таким имплантатом?

 Вот как раз здесь человечеству и приходится расписываться в том, что мы отстали от писателей-фантастов. 2021 год не за горами, а у человечества пока очень несовершенная технология инвазирования, которая применяется только в самых крайних случаях и такая операция делается абсолютно парализованным людям. На сегодняшний момент очень велик риск отторжения даже последних поколений датчиков: воспаления, отмирание нейронов в участке вживления, необходимость постоянных повторных операций и даже такие необъяснимые вещи как эпилептические припадки. Так что, по сути, вместо помощи в инвалидности человек может получить и психическое заболевание.  

 Именно поэтому наука идет по пути развития неинвазивных датчиков. Неинвазивный интерфейс не предполагает вторжения в организм, а лишь прикрепляет электроды к коже головы, руки или ноги. Несмотря на крепкую черепную коробку, электроды последнего поколения уже способны считывать простейшие сигналы электрополей головного мозга и передавать сигнал на компьютер с 95% точностью.

Тренируйся вон…на макаках

На сегодняшний момент есть одно очень интересное исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Ученые из университета Дьюка и ВШЭ решили пойти дальше управления отдельными частями протеза, о которых мы написали выше, и решили прокачать ту способность, которая пока доступна только человеку – тактильные ощущения. Задача была в ощущении шероховатости предмета при его активном ощупывании, если стимулировать соматосенсорную кору мозга.

Для этого двум макакам вживили электроды прямо в головной мозг – в участок соматосенсорной коры головного мозга, причем, по словам научного руководителя Центра биоэлетрических интерфейсов ВШЭ Михаила Лебедева, одной макаке вживили электрод в участок мозга отвечающих за ощущения руки, а второй – ноги.

Животных усадили перед экранами и дали джойстики, которыми они управляли курсором в виде пальца руки. На экране перед ними было два серых прямоугольника, которые можно было различить только по ощущениям, переедаемыми на электроды. Наводили на один прямоугольник – ничего, наводили на другой, со скрытыми полосками – шла активация сенсоров в головном мозге, показывающих, что прямоугольник шершавый.

Затем джойстик убрали и подключили обезьян через интерфейс «мозг-компьютер-мозг», дабы они управляли курсором из коры головного мозга, причем обезьян поощряли каждый раз, если они находили «шероховатый прямоугольник». Обезьяны быстро поняли, что к чему и уже двигая с помощью электродов курсором, находили тактильный прямоугольник, ощущая головным мозгом то, что они видят на экране.

Таким образом, основываясь на результатах исследования, можно будет не только управлять мышкой, но и чувствовать головным мозгом предметы: как те, что находятся рядом с нами, так и в виртуальной реальности.

Ну и наконец, одна из самых популярных фигур науки ХХI века -  Илон Маск всего полгода назад презентовал нейроинтерфейс, разработанный стартапом Neuralink, цель которого – создать симбиоз человеческого мозга с искусственным интеллектом.

По его словам: «Для размещения чипа нам понадобится всего лишь 2-миллиметровый разрез, его можно будет заклеить, зашивать ничего не нужно. У чипа будет беспроводной интерфейс, поэтому у вас не будет проводов, торчащих из головы, что важно. Будет похоже на Bluetooth на вашем смартфоне, но придется быть аккуратнее с обновлениями: надо будет убедиться, что нет проблем с драйверами»

На сегодняшний момент достаточно просверлить в черепе всего четыре 8-мм отверстия, чтобы просунуть туда нити в 4-6 мкм, это тоньше человеческого волоса и сопоставимо с величиной нейронов. Таким образом, операция будет очень деликатной – основные кровеносные сосуды не будут затронуты, и риск воспалений и прочих «побочек», таким образом, снижается.

Однако исследования на мышах показывают,  что пока доступен только громоздкий порт UCB-C, так как  технология до конца не реализована, да и выживаемость мышей после  подобной операции -  87%. В принципе, неплохой показатель, однако исследования проводились и на обезьянах, а по их проценту выживаемости данных нет. Думается, что если бы он был как минимум неплохой, его бы опубликовали.  Так что все, что нам остается – ждать следующего научного прорыва, прокачивать неинвазивные технологии или просто покупать компьютерную мышку нового поколения.