Ученые работают над созданием систем, которые смогут напрямую соединить мозг с компьютером или с другим мозгом. Главная задача тут - научиться считывать нужные сигналы из мозга и отправлять в него информацию.
Это похоже на то, как мы воспринимаем мир. Например, прямо сейчас читая эти строки, ваши глаза двигаются по строчкам, получая команды от мозга. В то же время свет от экрана девайса попадает на вашу сетчатку и стимулирует нейроны зрительной коры, создавая в сознании образ текста. Потом другие зоны мозга анализируют эту картинку и извлекают из нее смысл.
“Ввод и вывод информации — вот то, что делают нейроны мозга. Вся индустрия нейроинтерфейсов хочет присоединиться к этому процессу.”
Тим Урбан. Neuralink и волшебное будущее мозга.
На первый взгляд задача кажется, ну, несложной. Кора головного мозга, с которой в основном взаимодействуют нейроинтерфейсы, расположена на поверхности и содержит 20 миллиардов нейронов. Это, по сути, крошечные транзисторы. Если научиться управлять ими, можно многое получить. Нейроны гораздо больше атомов, в 100 тысяч раз. Если бы атом был леденцом, нейрон был бы с километр в поперечнике. Выходит, мы точно должны уметь работать с такими величинами. Ведь так?
Ох, расщепить атом легче, чем мысль. И сейчас вы поймете, почему.
Мозг человека имеет характерную морщинистую поверхность. Это результат эволюционного решения проблемы ограниченного пространства внутри черепа. Складки позволяют увеличить площадь коры головного мозга, не увеличивая объем головы. Если расправить кору, она будет похожа на салфетку размером 48 на 48 сантиметров и толщиной всего 2 миллиметра.
Давайте проведем мысленный эксперимент и увеличим кору головного мозга в 1000 раз. Теперь она размером с несколько кварталов Манхэттена, а весь мозг - как большой стадион.
В кубическом метре такой увеличенной коры находится около 40 000 нейронов, каждый размером с леденец. От каждого "леденца" отходят длинные отростки - дендриты и аксоны. Дендриты могут достигать 3-4 метров в длину, а аксоны - до километра. Все эти отростки переплетаются между собой, образуя густую сеть.
Каждый нейрон связан с тысячами других. В одном кубометре увеличенной коры насчитывается более 20 миллионов таких связей - синапсов. Кроме того, через этот куб проходят отростки нейронов из других участков мозга.
“И, конечно же, не стоит забывать о нейропластичности. Напряжение каждого нейрона постоянно меняется, сотни раз в секунду. И десятки миллионов синаптических соединений в нашем кубе будут постоянно менять размеры, исчезать и появляться вновь.”
Тим Урбан. Neuralink и волшебное будущее мозга.
И это еще не все. Помимо нейронов, в нем есть глиальные клетки, выполняющие множество важных функций. Их примерно столько же, сколько и нейронов. То есть в нашем увеличенном кубическом метре коры будет еще 40 000 глиальных клеток.
Кроме того, мозг пронизан сетью кровеносных сосудов. В реальном кубическом миллиметре коры их около метра. В нашем увеличенном кубе это километр сосудов.
Важно помнить, что наш воображаемый куб - это всего лишь один кубический миллиметр реального мозга. А вся кора состоит из 500 000 таких частей. При этом большая часть коры скрыта в складках мозга, а не лежит на поверхности.
Работа с живым мозгом усложняется еще и наличием черепа и других защитных оболочек. Многие структуры мозга расположены глубоко внутри, что еще больше усложняет доступ к ним.
Пролетая над гнездом нейронов
Выходит, миссия невыполнима? Что ж, инженеры кое-что придумали. Чтобы справиться со всем этим ворохом проблем, они создают инструменты, оценивающиеся по трем основным критериям:
- Масштаб - это сколько нейронов может быть охвачено.
- Разрешение - насколько подробную информацию можно получить, как в пространстве, так и во времени.
- Инвазивность - требуется ли хирургическое вмешательство и насколько оно серьезно.
Идеальный инструмент должен быть хорош по всем трем параметрам. Хочется собрать с них сливки и скушац. Но на практике приходится идти на компромиссы. Каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны.
Вот, скажем, функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Она неинвазивна и обеспечивает большой масштаб, охватывая весь мозг. Однако ее разрешение, особенно временное, довольно низкое.
Другой пример - электроэнцефалография (ЭЭГ). Эта когда на вашу голову надевают шапочку с множеством электродов. Метод существует уже почти век. Он записывает электрическую активность вашего мозга, но весьма неточно. Представьте, что ваш мозг - это стадион, а нейроны - зрители. ЭЭГ - как микрофоны за стенами стадиона. Вы пытаетесь понять, что происходит на стадионе, слушая общий шум толпы снаружи. Можно уловить общее настроение, но не отдельные голоса.
Если хочется увеличить точность, есть похожий и более продвинутый метод - электрокортикография (ЭКоГ). Электроды размещаются непосредственно на поверхности мозга, под черепом.
ЭКоГ может различать активность в участках мозга размером около сантиметра и регистрировать изменения, происходящие каждые 5 миллисекунд. Если продолжить аналогию со стадионом, это как разместить микрофоны внутри, ближе к трибунам. Звук будет намного чище, и можно будет различить, что кричат в разных секторах.
Хотя ЭКоГ требует операции, она считается относительно безопасной. Как сказал один хирург Тиму Урбану:
«Поместить начинку под твердую мозговую оболочку можно относительно неинвазивно. Придется проделать дыру в голове, но это не так страшно»
Для еще более точного изучения мозга ученые используют микроэлектроды. Это такие крошечные иглы, которые вводятся непосредственно в мозговую ткань. Во второй половине 20 века процесс их создания выглядел примерно так:
«Когда мой отец делал электроды, он делал их вручную. Он брал очень тонкую проволоку — золотую, платиновую или иридиевую, которая была 10–30 микрон в диаметре и вставлял эту проволоку в стеклянную капиллярную трубку диаметром в миллиметр. Затем держал эту стекляшку над огнем и вращал, пока стекло не станет мягким. Он вытягивал капиллярную трубку, пока она не станет очень тонкой, и вытаскивал из огня. Теперь капиллярная трубка оборачивает и сжимает провод. Стекло — изолятор, а проволока — проводник. В итоге получается изолированный в стекле электрод с диаметром кончика в 10 микрон».
Мозговой хирург Бен Рапопорт
Современные же технологии позволяют создавать ультратонкие электроды. Они похожи на маленькие иголочки, вводятся в кору головного мозга на глубину пару миллиметров. Они собирают информацию об электрической активности окружающих нейронов. Такой метод называется регистрацией локальных полевых потенциалов (LFP). Он дает довольно хорошее пространственное и временное разрешение, но имеет свои недостатки. LFP показывает только то, что происходит в небольшой области вокруг электрода, и требует проникновения в мозг.
Еще одна разработка разработка - это многоэлектродный массив. Это крошечный квадратик размером 4 на 4 миллиметра, на котором расположено 100 очень тонких электродов. Такой массив позволяет одновременно получать информацию из многих точек мозга.
Существует еще более точный метод - регистрация отдельных нейронов. Для этого используют электроды с очень острыми кончиками. Они могут "слышать" активность только одного нейрона, находясь очень близко к нему. Это дает максимально возможное разрешение, но охватывает крайне маленькую область мозга.
Некоторые ученые идут еще дальше и используют метод локальной фиксации потенциала. Они используют крошечную стеклянную трубочку, которая присасывается к мембране нейрона. Это позволяет не только записывать сигналы, но и стимулировать нейрон, подавая ток.
Самый экстремальный метод - это когда электрод проникает внутрь нейрона. Это дает очень точные данные, но недолго, так как нейрон быстро погибает.
Все эти методы можно сравнить с разными способами прослушивания на стадионе. LFP - как микрофон над группой зрителей, регистрация отдельных нейронов - как микрофон на воротнике одного человека, а локальная фиксация потенциала - словно микрофон в горле, записывающий движение голосовых связок.
“Это все, что у нас есть. По крайней мере что мы используем довольно часто. Эти инструменты одновременно очень продвинутые и покажутся технологиями каменного века людям будущего, которые не поверят, что нам приходилось выбирать одну из технологий, вскрывать черепушку, чтобы получить качественные записи о работе мозга.”
Тим Урбан. Neuralink и волшебное будущее мозга.
Первый в мире нейроинтерфейс
В 1965 году учёный Хосе Дельгадо изобрел первый в мире нейроинтерфейс и проверил его работу на мозге быка. Девайс представлял собой чип размером с монету. Учёный мог управлять устройством по FM-радиоканалу. Дельгадо выступил в качестве тореадора на корриде — и с помощью кнопки на пульте управления изменил направление движения быка.
Всего через год ученый Эберхард Фетц смог соединить нейрон в мозге обезьяны с циферблатом. Когда нейрон активировался, стрелки на циферблате двигались. За это обезьяна получала вкусную конфету. Постепенно обезьяна научилась контролировать этот нейрон так, чтобы получать больше угощений.
На мозге человека нейроинтерфейс впервые был протестирован только в 1998 году. Нейроучёный Филипп Кеннеди вживил устройство в мозг полностью парализованного художника и музыканта Джонни Рэя.
Во время эксперимента тот должен был представлять, как двигаются его руки. Импульсы из мозга через нейроинтерфейс передавались на компьютер и двигали курсор мыши. Так у Рэя появилась возможность общаться с внешним миром.
Сейчас нейроинтерфейсы в основном разрабатывают для людей с ограниченными возможностями. Это связано с тем, что только таким людям разрешено участвовать в экспериментах, да и спрос на рынке сосредоточен именно на этом.
В настоящее время разрабатываются три основные категории нейрокомпьютерных интерфейсов.
Тип #1: использование моторной коры в качестве дистанционного управления
Если вы забыли, моторная кора — это вот эта госпожа:
Это одна из наиболее изученных областей мозга. Она отвечает за управление движениями тела. Когда вы двигаете рукой, моторная кора активируется, посылая сигналы через нервы к мышцам. К ней и пытаются подключиться нейро-компьютерные интерфейсы.
Проще говоря, нервы это посредник между корой и рукой. А нейроинтерфейсы - это посредник между корой и компьютером.
А работает это так. Крошечная пластинка с сотней электродов помещается в моторную кору. Даже если человек парализован, эта часть мозга все еще работает нормально. Просто сигналы не доходят до мышц. Когда мы думаем о движении руки, определенные клетки нашего мозга активируются. Каждая клетка отвечает за свое направление движения.
Электроды слушают эти клетки мозга. Когда человек думает о движении вправо, одни клетки активируются. Когда влево - другие. Компьютер учится понимать эти сигналы для разных движений.
После тренировки человек может двигать курсор на экране, просто думая об этом. Это уже работает. Парализованный мальчик смог играть в видеоигру силой мысли. Парализованная женщина смогла поднять чашку кофе и сделать глоток. Другая управляла симулятором истребителя. А обезьяна даже проехалась в инвалидном кресле, управляя им мозгом.
Еще более впечатляющее достижение - это целый костюм-экзоскелет. Он позволил парализованному Жулиано Пинто встать и сделать первый удар по мячу на чемпионате мира по футболу. Как выразился сам бразилец:
«Это наша бразильская лунная программа»
Что важно, некоторые протезы позволяют ощущать прикосновение к предметам, как если бы человек касался их реальной рукой. Например, в 2016 году пациент с травмой позвоночника смог протянуть руку президенту США Бараку Обаме, а благодаря сенсорам на протезе почувствовал рукопожатие.
Эти технологии открывают возможности для создания интерфейсов "мозг-мозг".
Учёные уже успешно провели первые эксперименты по соединению мозгов разных существ. Один такой опыт связал крысу в Бразилии с крысой в США через интернет. Бразильская крыса знала, какой рычаг нажать для получения награды. Американская же этого не знала, но получала сигналы от мозга бразильской.
Когда американская крыса выбирала правильный рычаг, обе получали награду. Удивительно, но американская крыса стала лучше угадывать правильный рычаг. Её успех вырос с 50% до 64%. Животные будто работали вместе, хотя не знали друг о друге.
Похожий эксперимент провели и с людьми. Два человека в разных зданиях играли в видеоигру вместе. Один видел игру на экране, другой держал контроллер. У обоих были простые шлемы для считывания мозговых сигналов.
Человек, который видел игру, мог подумать о движении рукой, чтобы "выстрелить". Его мысль передавалась второму. Тот чувствовал сигнал в пальце и нажимал кнопку на контроллере. Так они играли вместе, хотя находились в разных местах.
Тип #2: искусственные уши и глаза
Возможно, вы этого не знаете, но уже сотни тысяч человек имеют искусственный слух и искусственное зрение.
Восстановление слуха и зрения - самые массовые направления развития нейрокомпьютерных интерфейсов. Это связано с тем, что сенсорные области коры головного мозга хорошо изучены, а проблемы часто возникают не в самом мозге, а в органах чувств.
Кохлеарные имплантаты помогают глухим людям слышать. Они преобразуют звуковые волны в электрические сигналы, которые напрямую стимулируют слуховой нерв. Микрофон улавливает звук, компьютер его обрабатывает, а электроды в улитке стимулируют нерв. Хотя современные имплантаты имеют всего 24 электрода вместо 3500, необходимых для идеального слуха, они позволяют людям слышать речь и разговаривать.
Для слепых же разрабатываются имплантаты сетчатки. Они работают по схожему принципу, преобразуя визуальную информацию в электрические сигналы для зрительного нерва. Первый такой имплантат был одобрен в 2011 году. Он имеет 60 сенсоров, что намного меньше миллиона нейронов в сетчатке. Однако даже это позволяет различать формы и свет, что значительно лучше полной слепоты.
Интересно, что для хорошего зрения не нужно полностью воспроизводить работу сетчатки. Исследования показывают, что 600-1000 электродов может быть достаточно для распознавания лиц и чтения.
Некоторые современные экспериментальные устройства имеют сотни сенсоров. К примеру, система PRIMA , разработанная Pixium Vision, имеет 378 электродов и работает с использованием инфракрасного света, проецируемого через специальные очки дополненной реальности.
Но все подобные устройства находятся на стадии клинических испытаний и с 2011 года ни одно из них не получило одобрение FDA.
Тип #3: глубокая стимуляция головного мозга
Этот метод лечения неврологических заболеваний начал применяться с конца 1980-х годов. Он относится к нейрокомпьютерным интерфейсам, которые воздействуют непосредственно на мозг, не взаимодействуя с внешним миром.
При этой процедуре в мозг вводятся один или два тонких электрода, обычно в область лимбической системы. Электроды соединяются с небольшим стимулятором, который имплантируется в грудную клетку. Эта система может подавать слабые электрические импульсы в определенные участки мозга.
Глубокая стимуляция помогает уменьшить симптомы болезни Паркинсона, облегчить эпилептические припадки, снизить проявления обсессивно-компульсивного расстройства. Экспериментально эта технология применяется для лечения хронической боли, тревожности, депрессии и последствий инсульта.
Именно в таком зачаточном состоянии находилась индустрия нейроинтерфесов до прихода в нее Илона Маска. Он увидел в ней возможности и основал компанию Neuralink в 2016 году.
Наши дни
В январе 2024 года компания Neuralink успешно провела первую имплантацию чипа в мозг человека. Им стал парализованный Ноланд Арбо. Несмотря на паралич ниже шеи, он теперь может управлять компьютером, используя только мысли. Арбо играет в онлайн-шахматы и Civilization VI, общается в соцсетях и учит японский. Он говорит, что чип помог ему "восстановить связь с миром".
Еще одна новость этого года - Кейси Харрелл, мужчина с боковым амиотрофическим склерозом. Он смог вернуть способность говорить благодаря новому речевому нейропротезу. Ему установили матрицы электродов в мозг, и с помощью машинного обучения Кейси смог произносить до 32 слов в минуту. Причем своим голосом. Его восстановили на основе старых записей.
В августе 2024 года компания Neuralink сообщила о новом достижении. Их второй пациент, Алекс, смог сыграть в Counter Strike 2 силой мысли. И это произошло всего через день после операции. Алекс потерял контроль над телом из-за травмы спинного мозга. Теперь он управляет мышью с помощью нейроимпланта.
«Просто бегать так приятно, потому что я могу смотреть по сторонам и мне не нужно двигать Quadstick влево и вправо»
Более того, Алекс уже успел создать 3D-модель держателя для зарядки своего чипа. Затем это крепление было напечатано на 3D-принтере. Подобно Ноланду Арбо, Алекс побил предыдущий мировой рекорд по управлению курсором с помощью интерфейса мозг-компьютер.
«Я уже очень впечатлен тем, как это работает»
В июле 2023 года ученые из Калифорнийского университета успешно имплантировали речевой нейроинтерфейс 45-летнему мужчине с тяжелой формой БАС. Пациенту установили четыре матрицы микроэлектродов в кору головного мозга.
Через 25 дней после операции начались тестирования. Изначально точность расшифровки речи составила 99,6%. При расширении словаря до 125 тысяч слов точность достигла 97,5% через восемь месяцев после имплантации.
В медицине нейроинтерфейсы помогают восстанавливать зрение. В 2023 году группа ученых из США и Испании разработала бионический глаз. Он позволил слепой женщине различать буквы и простые формы.
НКИ находят применение и у здоровых людей. Компания Kernel создала шлем Flow, который измеряет активность мозга неинвазивно. Его используют для исследований когнитивных функций и медитативных практик.
Мы посмотрели на прошлое и настоящее технологии. Следующий шаг - представить будущее НКИ и найти путь к нему.
Будущее нейроинтерфейсов
Нейроинтерфейсы будущего могут дать людям невероятный контроль над собственным мозгом. Например, по мнению нейробиолога Морана Серфа, они помогут лучше справляться с вредными привычками. Сейчас часто возникает конфликт между древней частью мозга, которая хочет съесть кусочек торта, и рациональной частью, которая понимает, что сахар вреден. Нейроинтерфейс сможет разделить удовольствие от еды и само получение питательных веществ. Так мы сможем наслаждаться вкусом любой пищи и контролировать свой рацион.
По словам компьютерщика Рамеза Наама, такие интерфейсы также помогут управлять настроением и бороться с психическими расстройствами более точно, чем современные лекарства. Можно будет по желанию вызывать сон, бодрость или чувство сытости.
По мнению Тима Урбана, нейроинтерфейсы откроют новые возможности для восприятия мира. Мы сможем слышать звуки, недоступные человеческому уху, или даже получить новые чувства, например, ощущать приближение птиц по их теплу. При этом неприятные ощущения, вроде боли, можно будет приглушить.
Обучение тоже может стать в разы быстрее благодаря стимуляции определенных нейронов. А доступ к информации может выйти на новый уровень. В будущем мы сможем мгновенно получать нужные знания из "облака", словно они всегда были в нашей памяти. Возможно, однажды мы даже сможем "загружать" в мозг целые книги и сразу получать впечатление, будто прочитали их.
Риски технологии
Развитие нейроинтерфейсов несет в себе не только огромные возможности, но и серьезные риски. Одна из проблем - это возможность злоупотребления технологией. Интернет-тролли и террористы могут получить новые инструменты для распространения ненависти и манипуляций.
Еще одна опасность связана с техническими сбоями и уязвимостями. Если компьютер можно перезагрузить или заменить, то с мозгом такой трюк не пройдет. Хакеры могут получить доступ не только к информации в нашем мозге, но и возможность влиять на наши мысли и поступки. В худшем случае, это может привести к массовым манипуляциям людьми.
Однако история показывает, что новые технологии всегда несут с собой как риски, так и огромные преимущества. Ядерная физика привела к созданию бомб, но также дала нам новые источники энергии. Автомобили стали причиной множества смертей, но преобразовали транспорт. Интернет породил новые проблемы, но в то же время сделал жизнь миллионов людей лучше.
Люди часто боятся новых технологий, думая, что они сделают нас менее человечными. Но мало кто хотел бы вернуться в прошлое, отказавшись от всех достижений современной медицины, науки и техники. Несмотря на все проблемы, технологический прогресс в целом улучшает жизнь людей.
Поэтому, хотя риски нейроинтерфейсов нельзя игнорировать, вряд ли люди будущего захотят отказаться от этих технологий. Вместо этого, вероятно, будут разрабатываться новые методы защиты и безопасности.
Точные сроки наступления эры продвинутых нейроинтерфейсов предсказать сложно. Эксперты расходятся во мнениях: некоторые ожидают значительного прогресса уже через 25 лет, другие говорят о 50 годах и более. Илон Маск настроен оптимистично и считает, что первые устройства для людей без инвалидности могут появиться уже через 8-10 лет.
Больше про будущее нейроинтерфейсов смотрите в моем ролике "Самый опасный эксперимент человечества":
При написании материала я опирался преимущественно на следующие источники:
- Митио Каку - "Будущее разума"
- Мигель Николелис - "Истинный творец всего"