Чипирование мозга: фантастика или реальность?

Михаил Мищенко, кандидат физико-математических наук,доцент радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского

Во многих произведениях научной фантастики, как в книгах, так и в фильмах, анимации, компьютерных играх встречается тема замещения или расширения возможностей человеческого тела при помощи электронных устройств. Протезы, не уступающие в подвижности и точности рукам, искусственная сетчатка, позволяющая видеть в инфракрасном диапазоне, и многие другие технологии сформировали культуру киберпанка. Что-то из этого так и осталось фантазией авторов, однако современные достижения нейронауки и электроники позволяют воплотить некоторую часть фантастических замыслов в жизнь.

Нейроинтерфейсы

В основе большинства «фантастических» технологий лежит идея, что тело и мозг может воспринимать искусственное дополнение как естественную часть организма. Для воплощения этого необходимо организовать взаимодействие между электронным протезом и нервной системой человека. Устройство, которое обеспечивает такое взаимодействие, называется нейроинтерфейсом.

Нейроинтерфейсы предназначены для регистрации сигналов нервной системы человека (а также их усиления, обработки, интерпретации) и их использования для управления внешними устройствами. Но вот проблема – мозг и нервная система скрыты и надежно защищены от внешнего вмешательства. Поэтому все нейроинтерфейсы можно разделить на две группы: неинвазивные и инвазивные.

Неинвазивные интерфейсы, такие, как, например, электроэнцефалография (ЭЭГ), позволяют регистрировать активность мозга без хирургического вмешательства с помощью электродов, расположенных на коже головы. ЭЭГ позволяет регистрировать мозговую активность с очень невысоким разрешением, то есть не от отдельных нервных клеток, а от их функциональных групп и целых областей мозга, зато эта технология достаточно хорошо развита и доступна широкому потребителю в том числе в виде недорогих носимых устройств.

С помощью зарегистрированных ЭЭГ сигналов можно управлять простыми устройствами, набирать текст на экране компьютера, но скорость таких команд не более 15-20 в минуту, да и делать это не так просто, требуется тренировка как системы обработки, встроенной в интерфейс, так и самого пользователя. Нужно научиться думать «ясно и однозначно».

Управление или чтение мыслей?

Часто, представляя публике подобные интерфейсы говорят об управлении чем-либо «силой мысли». Вот человек захотел набрать на экране слово «наука», подумал о нем, и оно возникло на экране. Увы, такой подход пока остается фантастикой. Команды от пользователя такого нейроинтерфейса не будут выглядеть как мысль о слове «наука», и даже не как мысль о буквах «Н», «А», «У», «К» и «А». Пока что самый распространенный способ – на экране демонстрируют последовательно буквы алфавита, и когда человек видит нужную, реакцию его мозга фиксирует интерфейс, эта буква будет напечатана. Потом цикл повторяется. Для того, чтобы управлять каким-либо устройством, пользователю предстоит специально научиться осознанно воспроизводить определенные мысленные команды, например, представление движения (не движение, а представление движения) левой и правой рукой.

Это звучит достаточно скромно, но этот скромный вариант позволил множеству людей, потерявших способность двигаться и общаться, например, после инсульта или автомобильной аварии, получить возможность взаимодействия с миром.

А что, если все-таки научиться читать мысли? Что если трудность с их интерпретацией заключается только в малом числе каналов неинвазивного интерфейса? Эту проблему могут решить инвазивные интерфейсы, в которых регистрирующие электроды хирургическим путем непосредственно устанавливают в мозге.

Инвазивный интерфейс и чип Neuralink

Стоит сразу сказать, что такие инвазивные электроды не могут быть широко распространены, поскольку требуют хирургического вмешательства для их установки и обслуживания. На сегодняшний день они применяются в медицине для пациентов с заболеваниями центральной нервной системы, такими как эпилепсия, болезнь Паркинсона, травмы спинного мозга и т.п.

Инвазивные нейроинтерфейсы представляют собой массив миниатюрных электродов, который помещается под черепную коробку на поверхность коры головного мозга или на несколько миллиметров вглубь нее. Эти электроды позволяют регистрировать (а в некоторых случаях и стимулировать) активность нейронов головного мозга. «Чип» размером всего несколько миллиметров может содержать до нескольких тысяч электродов! Такая технология позволяет записывать активность с лучшей детализацией, приближаясь к возможности регистрации активности отдельных нейронов, и с лучшим качеством.

В 2024 году у многих на слуху компания Neuralink, созданная Илоном Маском, и их чип, вживленный парализованному пациенту, позволив ему управлять компьютером и даже играть в компьютерные игры. Заявленной целью создания чипа было в том числе декодирование мыслей из нейронной активности, однако достаточно быстро компания поняла, что на данном этапе развития науки эта цель остается фантастической.

Чип Neuralink позволяет регистрировать активность мозга через 3096 каналов (однако, как заявила сама компания, через полгода после вживления активными остались лишь 15% из них). Зарегистрированная активность может быть использована для управления внешними устройствами, такими как курсор на экране компьютера, путем обучения как классификатора, встроенного в дополняющую чип вычислительную систему, так и самого пациента, обучающегося генерировать в той области мозга, куда помещены электроды, определенную активность.

Это можно сравнить с обучением письму в первом классе: нужно научиться активировать мышцы на пальцах в строго определённом порядке и с определенной силой, чтобы на бумаге осталась красивая буква, а не случайная каракуля. Отличием будет лишь то, что благодаря современным технологиям тренироваться будут не только пальцы, но и ручка.

Нейронный код

Так почему же идея чтения мыслей с помощью инвазивного интерфейса осталась идеей? Если кратко – причина в неимоверной сложности мозга. Исследователи до сих пор не знают с уверенностью, как мозг кодирует информацию. В мозге встречается множеств вариантов кодирования информации: частотное, временнОе, пространственное, их комбинации. Кроме того, мозг очень динамичен и изменчив, поэтому одни и те же нейроны и даже участки мозга могут с течением времени менять свое назначение и способ кодирования информации. Современная нейронаука только подбирается к разгадке этих механизмов работы мозга.

Впрочем, можно отметить интересный результат, полученный в 2023 году исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, США. Им удалось с помощью инвазивного нейроинтерфейса, установленного 19 пациентам с эпилепсией, зарегистрировать активность мозга во время прослушивания композиции Another brick in the wall, Pt.1 группы Pink Floyd. Затем с помощью методов обработки данных они смоги обнаружить электроды, активность на которых коррелировала с музыкой, и по записанным этими электродами сигналам нейронных сетей мозга воспроизвести музыку. Получившаяся мелодия была достаточно похожа на звучавший оригинал, хотя и с большим количеством шумов и помех и практически полным отсутствием вокальной партии. Данный результат можно считать удачным примером, который позволяет раскрыть механизмы кодирования информации в активности нейронов мозга. Но до полного раскрытия нейронного кода, безусловно, еще далеко.

Нейроморфная электроника

И хотя нейронный код еще не разгадан, те имеющиеся знания о способах кодирования и принципах обработки информации мозгом уже дают огромный вклад в современные технологии, такие как искусственные нейронные сети. При этом современные искусственные нейронные сети, включая генеративный искусственный интеллект GPT, построены по принципам, заложенным более 70 лет назад. Современные знания о частотном, временнОм и пространственном кодировании информации в спайковых (импульсных) нейронных сетях, которые на сегодняшний день являются самыми биолого-правдоподобными, дают развитие нейроморфным технологиям – новому этапу развития мозгоподобных систем и устройств, учитывающих последние достижения нейронаук.

Разработка электронных аналогов нейронов даст возможность создания вычислительных устройств и систем обработки информации нового поколения. Недавно были изобретены мемристоры – элементы, свойства которых меняются в зависимости от прошедшего через них тока. Они хорошо подходят для электронного воспроизведения межнейронных связей – синапсов. Ученые ожидают, что использование мемристивных технологий позволит воссоздать в электронной схеме одно из важнейших свойств нейронных сетей мозга – адаптивность и пластичность. Мемристивные устройства и электронные нейроны как базовые элементы нейроморфного устройства – некоторого аналога «мозга в чипе» позволят воплотить все преимущества живого мозга перед современными суперкомпьютерами: потрясающую энергоэффективность (мозг потребляет не более 100 Вт энергии, что близко к мощности лампочки), адаптивность и обучаемость, способность обрабатывать аналоговые сигналы и многие другие.

Когда-то ослабевшее зрение делало человека беспомощным, а затем были изобретены очки. Пороки сердца привели к гибели множества людей, пока не были созданы кардиостимуляторы. Потерю слуха можно восстановить с помощью не только слуховых аппаратов, но и кохлеарных имплантов. Развитие технологий и расширение знаний о нашем организме позволяют улучшать жизнь людей, поэтому технологии нейроинтерфейсов, дающие людям, которых ранее считали безнадежными, возможность общаться с внешним миром и вести полноценную жизнь являются очень важным и востребованным направлением науки.

#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки