Невроинтерфейсите - технологии, които свързват мозъка и компютъра - постепенно се превръщат в рутина: вече видяхме как с помощта на умствени поръчки човек може да контролира протеза или да напише текст на компютър. Означава ли това, че обещанията на писатели на научна фантастика, които са писали за пълноценно четене на мисли с помощта на компютър или дори за прехвърляне на човешкото съзнание в компютър, скоро ще станат реалност? Същата тема - „Увеличена личност“- през 2019 г. е посветена на конкурса за научна фантастика „Бъдеще време“, организиран от благотворителната фондация „Система“. Заедно с организаторите на конкурса, редакторите на N + 1 разбраха на какво са способни съвременните невронни интерфейси и дали наистина можем да създадем пълноценна връзка мозък-компютър. И Александър Каплан ни помогна в това,основател на първата руска интерфейсна лаборатория в Московския държавен университет „Ломоносов“.
Хакнете тялото
Нийл Харбисън има вродена ахроматопсия, което го е лишило от цветно зрение. Британецът, решил да заблуди природата, имплантира специална камера, която превръща цвета в звукова информация и го изпраща към вътрешното ухо. Нийл счита себе си за първия киборг, официално признат от държавата.
През 2012 г. в САЩ Андрю Шварц от университета в Питсбърг демонстрира парализирана 53-годишна пациентка, която с помощта на имплантирани в мозъка й електроди изпраща сигнали до робот. Тя се научи да контролира робота толкова много, че успя да си сервира един бар шоколад.
През 2016 г. в същата лаборатория 28-годишен пациент с тежко гръбначно увреждане протегна изкуствена ръка, контролирана от мозъка, на Барак Обама, който го посети. Сензорите на ръката позволиха на пациента да усети ръкостискането на 44-ия президент на Съединените щати.
Съвременната биотехнология дава възможност на хората да „пробият“ограниченията на телата си, създавайки симбиоза между човешкия мозък и компютъра. Изглежда, че всичко се насочва към факта, че биоинженерингът скоро ще стане част от ежедневието.
Промоционално видео:
Какво ще се случи след това? Философът и футурист Макс Море, последовател на идеята за трансхуманизма, от края на миналия век развива идеята за прехода на човека към нов етап на еволюция, използвайки, наред с други неща, компютърните технологии. В литературата и киното от последните два века подобна игра на футуристичното въображение се изплъзва.
В света на научнофантастичния роман на Уилям Гибсън Neuromancer, публикуван през 1984 г., са разработени импланти, които позволяват на техния носител да се свърже с Интернет, да разшири интелектуалните си възможности и да преживее спомените. Масамуне Широ, автор на култовата японска научнофантастична манга „Призрак в черупката“, наскоро заснет в САЩ, описва бъдеще, в което всеки орган може да бъде заменен с бионика, до пълното прехвърляне на съзнанието в тялото на робот.
Докъде могат да стигнат невронните интерфейси в свят, в който, от една страна, невежеството умножава фантазиите, а от друга, фантазиите често се оказват провидение?
Потенциална разлика
Централната нервна система (ЦНС) е сложна комуникационна мрежа. Само в мозъка има повече от 80 милиарда неврони и между тях има трилиони връзки. На всяка милисекунда вътре и извън всяка нервна клетка разпределението на положителните и отрицателните йони се променя, определяйки как и кога ще реагира на нов сигнал. В покой, невронът има отрицателен потенциал спрямо околната среда (средно -70 миливолта), или "потенциал за почивка". С други думи, той е поляризиран. Ако неврон получава електрически сигнал от друг неврон, тогава, за да може той да бъде предаден по-нататък, положителните йони трябва да влязат в нервната клетка. Настъпва деполяризация. Когато деполяризацията достигне прагова стойност (приблизително -55 миливолта, обаче, тази стойност може да варира),клетката се вълнува и се пуска във все повече и повече положително заредени йони, което създава положителен потенциал, или „потенциал за действие“.
Потенциал за действие.
Освен това потенциалът за действие по аксона (канал за комуникация на клетките) се предава на дендрита - реципиентния канал на следващата клетка. Въпреки това, аксонът и дендритът не са пряко свързани и електрическият импулс не може просто да преминава от един в друг. Мястото на контакт между тях се нарича синапс. Синапсите произвеждат, предават и получават невротрансмитери - химични съединения, които директно "препращат" сигнал от аксона на една клетка към дендрита на друга.
Когато импулсът достигне края на аксона, той освобождава невротрансмитерите в синаптичната цепнатина, пресичайки пространството между клетките и се свързва към края на дендрита. Те принуждават дендрита да пуска положително заредени йони, да преминават от покойния потенциал към потенциала на действие и да предават сигнал на клетъчното тяло.
Типът невротрансмитер също определя кой сигнал ще бъде изпратен допълнително. Например, глутаматът води до изстрелване на невроните, гама-аминомаслената киселина (GABA) е важен инхибиращ медиатор и ацетилхолинът може да направи и двете, в зависимост от ситуацията.
Ето как изглежда неврон схематично:
Диаграма на невроните
Ето как изглежда в действителност:
Неврон под микроскоп.
Освен това, отговорът на клетката получател зависи от броя и ритъма на входящите импулси, информация, идваща от други клетки, както и от мозъчната област, от която е изпратен сигналът. Различни спомагателни клетки, ендокринната и имунната система, външната среда и предишния опит - всичко това определя състоянието на централната нервна система в момента и по този начин влияе на човешкото поведение.
И въпреки че, както ние го разбираме, централната нервна система не е набор от "проводници", работата на невроинтерфейсите се основава именно на електрическата активност на нервната система.
Положителен скок
Основната задача на невроинтерфейса е да декодира електрическия сигнал, идващ от мозъка. Програмата има набор от "шаблони" или "събития", състоящи се от различни характеристики на сигнала: вибрационни честоти, шипове (пикове на активност), местоположения на кората и т.н. Програмата анализира входящите данни и се опитва да открие тези събития в тях.
Изпратените команди допълнително зависят от получения резултат, както и от функционалността на системата като цяло.
Пример за такъв модел е предизвиканият потенциал P300 (Положителен 300), често използван за така наречените заглавия - механизми за въвеждане на текст с помощта на мозъчни сигнали.
Когато човек види символа, който му е необходим на екрана, след 300 милисекунди може да се установи положителен скок на електрическия потенциал при запис на мозъчната активност. При откриване на P300 системата изпраща команда за отпечатване на съответния символ.
В този случай алгоритъмът не може да открие потенциала еднократно поради нивото на шума на сигнала чрез произволна електрическа активност. Следователно символът трябва да бъде представен няколко пъти и получените данни трябва да бъдат осреднени.
В допълнение към промяна в потенциала в една стъпка, невроинтерфейсът може да търси промени в ритмичната (т.е. осцилаторна) активност на мозъка, причинена от определено събитие. Когато достатъчно голяма група неврони навлиза в синхронен ритъм на колебания на активността, това може да бъде открито на сигналната спектрограма под формата на ERS (свързана със събития синхронизация). Ако, напротив, има десинхронизация на трептенията, тогава спектрограмата съдържа ERD (свързана със събития десинхронизация).
В момента, в който човек прави или просто си представя движение на ръката, ERD се наблюдава в моторната кора на отсрещното полукълбо с честота на колебания около 10-20 херца.
Този и други шаблони могат да бъдат зададени на програмата ръчно, но често те се създават в процеса на работа с всеки конкретен индивид. Нашият мозък, подобно на характеристиките на неговата дейност, е индивидуален и изисква адаптиране на системата към него.
Записващи електроди
Повечето невроинтерфейси използват електроенцефалография (ЕЕГ) за запис на активност, тоест неинвазивен метод за невровизуализация, поради своята относителна простота и безопасност. Електродите, прикрепени към повърхността на главата, регистрират промяната в електрическото поле, причинена от промяната на потенциала на дендритите, след като потенциалът за действие е „пресекъл” синапса.
В момента, когато положителните йони проникват в дендрита, в заобикалящата среда се формира отрицателен потенциал. В другия край на неврона йони със същия заряд започват да напускат клетката, създавайки положителен потенциал навън, а пространството около неврона се превръща в дипол. Електрическото поле, разпространяващо се от дипола, се записва от електрод.
За съжаление методът има няколко ограничения. Черепът, кожата и други слоеве, които отделят нервните клетки от електродите, въпреки че са проводници, не са толкова добри, че да не изкривят информацията за сигнала.
Електродите са способни да записват само общата активност на много съседни неврони. Основният принос за резултата от измерването идва от невроните, разположени в горните слоеве на кората, чиито процеси са перпендикулярни на повърхността й, защото именно те създават дипола, електрическото поле на което сензорът може най-добре да улавя.
Всичко това води до загуба на информация от дълбоки структури и намаляване на точността, така че системата е принудена да работи с непълни данни.
Инвазивните електроди, имплантирани на повърхността или директно в мозъка, позволяват много по-голяма точност.
Ако желаната функция е свързана с повърхностните слоеве на мозъка (например двигателна или сензорна активност), тогава имплантацията се ограничава до трепанация и прикрепване на електроди към повърхността на кората. Сензорите отчитат общата електрическа активност на много клетки, но този сигнал не е толкова изкривен, както в ЕЕГ.
Ако дейността, разположена по-дълбоко, е важна, тогава електродите се вкарват в кората. Възможно е дори да се регистрира активността на единични неврони, като се използват специални микроелектроди. За съжаление, инвазивната техника представлява потенциална опасност за хората и се използва в медицинската практика само в крайни случаи.
Има надежда обаче, че техниката ще стане по-малко травматична в бъдеще. Американската компания Neuralink планира да приложи идеята за безопасно въвеждане на хиляди тънки гъвкави електроди без пробиване в черепа, като използва лазерен лъч.
Няколко други лаборатории работят върху биоразградими сензори, които ще премахнат електродите от мозъка.
Банан или портокал?
Записът на сигнала е само първата стъпка. След това трябва да го „прочетете“, за да определите намеренията зад него. Има два възможни начина за декодиране на мозъчната активност: оставете алгоритъма да избере съответните характеристики от самия набор от данни или да даде на системата описание на параметрите, които да търси.
В първия случай алгоритъмът, не ограничен от параметрите на търсене, класифицира самия "суров" сигнал и намира елементи, предсказващи намерения с най-голяма вероятност. Ако например субектът последователно мисли за движение с дясната и лявата ръка, тогава програмата е в състояние да намери параметрите на сигнала, които максимално отличават една опция от другата.
Проблемът при този подход е, че параметрите, описващи електрическата активност на мозъка, са твърде многоизмерни, а данните са твърде шумни с различни шумове.
С втория алгоритъм за декодиране е необходимо предварително да се знае къде и какво да се търси. Например в примера на описания по-горе заклинател P300 знаем, че когато човек види символ, електрическият потенциал се променя по определен начин. Ние учим системата да търси тези промени.
В такава ситуация способността да дешифрираме намеренията на човек е обвързана с нашите знания за това как мозъчните функции са кодирани при неврална дейност. Как се проявява това или онова намерение или състояние в сигнала? За съжаление в повечето случаи нямаме отговор на този въпрос.
Невробиологичните изследвания на когнитивната функция са в ход, но въпреки това можем да дешифрираме много малка част от сигналите. Мозъкът и съзнанието засега остават за нас „черна кутия“.
Александър Каплан, неврофизиолог, доктор по биологични науки и основател на Лабораторията по неврофизиология и невроинтерфейси на Московския държавен университет „Ломоносов“, получил първата помощ в Русия за разработването на невроинтерфейс за комуникация между мозъка и компютъра, казва, че изследователите са в състояние автоматично да дешифрират някои човешки намерения или образи, представени от него въз основа на знаците на ЕЕГ …
В момента обаче има не повече от дузина такива намерения и образи. Това по правило са състояния, свързани с релаксация и психическо напрежение или с представянето на движения на части от тялото. И дори тяхното разпознаване се случва с грешки: например да се установи чрез ЕЕГ, че човек възнамерява да стисне дясната си ръка в юмрук, дори в най-добрите лаборатории е възможно при не повече от 80-85 процента от общия брой опити.
И ако се опитате да разберете от ЕЕГ дали човек си представя банан или портокал, тогава броят на правилните отговори само леко ще надвиши нивото на случайното гадаене.
Най-тъжното е, че не беше възможно да се подобри надеждността на невроинтерфейсните системи при разпознаване на човешките намерения от ЕЕГ и да се разшири списъкът на такива намерения за повече от 15 години, въпреки значителен напредък в разработването на алгоритми и изчислителни технологии, постигнати през същото време.
Очевидно ЕЕГ отразява само малка част от умствената дейност на човек. Следователно към невроинтерфейсните системи трябва да се подхожда с умерени очаквания и ясно да се очертаят областите на тяхното реално приложение.
Изгубени в превода
Защо не можем да създадем система, която прави това, което мозъкът може лесно да направи? Накратко, начинът, по който работи мозъкът, е твърде сложен за нашите аналитични и изчислителни възможности.
Първо, ние не знаем „езика“, на който нервната система общува. В допълнение към импулсните серии, тя се характеризира с много променливи: характеристиките на пътищата и самите клетки, химичните реакции, възникващи по време на пренос на информация, работата на съседни невронни мрежи и други телесни системи.
В допълнение към факта, че "граматиката" на този "език" е сложна сама по себе си, тя може да се различава в различни двойки нервни клетки. Ситуацията се влошава от факта, че правилата за комуникация, както и функциите на клетките и взаимоотношенията между тях са много динамични и постоянно се променят под влияние на нови събития и условия. Това експоненциално увеличава количеството информация, която трябва да се вземе предвид.
Данните, които напълно описват мозъчната дейност, просто ще удавят всеки алгоритъм, който се задължава да го анализира. Следователно декодирането на намерения, спомени, движения е практически неразрешима задача.
Второто препятствие е, че ние не знаем много за самите мозъчни функции, които се опитваме да открием. Какво е памет или визуално изображение, от какво са направени те? Неврофизиологията и психологията се опитват да отговорят на тези въпроси отдавна, но засега има малък напредък в изследванията.
Най-простите функции като двигателни и сензорни функции имат предимство в този смисъл, тъй като те са по-добре разбрани. Следователно наличните в момента невронни интерфейси взаимодействат главно с тях.
Те са в състояние да разпознаят тактилни усещания, въображаемо движение на крайник, реакция на визуална стимулация и прости реакции на събития от околната среда, като реакция на грешка или несъответствие между очаквания стимул и реалния. Но по-високата нервна активност остава голяма тайна за нас и днес.
Двупосочна комуникация
Досега обсъждахме само ситуацията на еднопосочно четене на информация без никакво обратно влияние. Въпреки това, днес вече съществува технология за предаване на сигнали от компютър до мозъка - CBI (компютърно-мозъчен интерфейс). Това прави комуникационния канал на невроинтерфейса двупосочен.
Информацията (например звук, тактилни усещания и дори данни за функционирането на мозъка) влиза в компютъра, анализира се и чрез стимулация на клетките на централната или периферната нервна система се предава в мозъка. Всичко това може да се случи напълно, заобикаляйки естествените органи на възприятие и успешно се използва за тяхното заместване.
Според Александър Каплан в момента вече няма теоретични ограничения за оборудването на човек с изкуствени сензорни „органи“, свързани директно с мозъчните структури. Освен това, те се въвеждат активно в ежедневието на човек, например, за да заменят нарушените органи на естествения сетив.
За хора с увреждания на слуха вече са налични така наречените кохлеарни импланти: микрочипове, които комбинират микрофон със слухови рецептори. Започва тестване на ретиналните импланти за възстановяване на зрението.
Според Каплан няма технически ограничения за свързване на други сензори към мозъка, които реагират на ултразвук, промени в радиоактивността, скоростта или налягането.
Проблемът е, че тези технологии трябва да бъдат изцяло базирани на нашите знания за това как работи мозъкът. Които, както вече разбрахме, са доста ограничени.
Според Каплан единственият начин да се заобиколи този проблем е да се създаде принципно нов комуникационен канал със собствен език за комуникация и да се научи не само компютърът, но и мозъкът да разпознава нови сигнали.
Подобни разработки вече са започнали. Например в лабораторията по приложна физика в университета Джон Хопкинс преди няколко години тестваха бионична ръка, способна да предава тактилна информация на мозъка.
Когато докосват сензорите на изкуствената ръка, електродите стимулират пътищата на периферната нервна система, които след това предават сигнала към сетивните зони на мозъка. Човек се научава да разпознава входящите сигнали като различни видове допир. По този начин, вместо да се опитвате да възпроизведете естествената за хората тактилна система от сигнали, се създава нов канал и език за комуникация.
Този път на развитие обаче е ограничен от броя на новите канали, които можем да създадем, и колко информативни ще бъдат те за мозъка, казва Александър Каплан.
Бъдеще време
Каплан смята, че в момента няма нов начин за развитие на невроинтерфейсни технологии. Според него самата възможност за интерфейс за комуникация между мозъка и компютъра е открита през 70-те години на миналия век, а принципите на мозъка, на които се основават днешните разработки, са описани преди около тридесет години и оттогава новите идеи практически не се появяват.
По този начин сега широко използваният потенциал на P300 е открит през 60-те години, моторните изображения през 80-те-90-те години и негативността на несъответствието през 70-те години).
Някога учените се надяваха, че ще успеят да установят по-близък информационен контакт между мозъка и процесорната технология, но днес стана ясно, че те не се сбъдват.
Въпреки това, казва Каплан, стана ясно, че невроинтерфейсите могат да бъдат приложени за медицинска употреба. Според учения сега развитието на невроинтерфейсите върви в най-голяма степен чрез въвеждането на технологии в клиничната сфера.
Някога учените се надяваха, че ще успеят да установят по-близък информационен контакт между мозъка и процесорната технология, но днес стана ясно, че те не се сбъдват.
Въпреки това, казва Каплан, стана ясно, че невроинтерфейсите могат да бъдат приложени за медицинска употреба. Според учения сега развитието на невроинтерфейсите върви в най-голяма степен чрез въвеждането на технологии в клиничната сфера.
Въпреки това, благодарение на мозъчните изследвания и напредъка на технологиите, днешните невроинтерфейси са способни на онова, което някога изглеждаше невъзможно. Не знаем със сигурност какво ще се случи след 30, 50 или 100 години. Историкът на науката Томас Кун изложи идеята, че развитието на науката е цикъл: периодите на застой се заменят от парадигматични промени и последващи научни революции. Напълно възможно е в бъдеще да имаме революция, която ще извади мозъка от черната кутия. И тя ще дойде от най-неочакваната страна.
Мария Ермолова
