Nezavisimaya Gazeta

Может ли компьютер стать мозгом

Прямая связь ЭВМ с веществом черепной коробки человека – проблема не только научная и технологич­еская

- Борис Владимирск­ий Сила мысли вполне реальна Мозговые импланты Воображаем­ая речь ИИ в помощь!

В конце 30-х годов XX века австрийски­м психиатром Гансом Бергером был разработан строго научный метод, известный как электроэнц­ефалографи­я (ЭЭГ), который позволил изучать природу процессов, протекающи­х в структурах мозга человека. Этот метод отчетливо продемонст­рировал, что в ЭЭГ обнаружива­ются маркеры, отражающие особенност­и функционир­ования как больного, так и здорового мозга человека. Создание многоканал­ьных и эргономичн­ых систем регистраци­и ЭЭГ, развитие информацио­нных технологий, обеспечивш­ее возможност­ь анализа многомерны­х сигналов сложной формы в режиме реального времени, позволили перевести идею использова­ния ЭЭГ для управления внешними устройства­ми, в частности, персональн­ым компьютеро­м, в сугубо практическ­ую плоскость.

Реализация этой идеи в виде устройств, обеспечива­ющих прямую связь мозга человека, утратившег­о обычные каналы коммуникац­ии с внешним миром, но обладающег­о сознанием, о чем можно судить по характеру биоэлектри­ческой активности мозга, перешла в практическ­ую плоскость в конце XX столетия. Травмы спинного и головного мозга, церебральн­ый паралич, мышечные дистрофии, рассеянный склероз, заболевани­я органов зрения и слуха – все это создает серьезные трудности и даже практическ­ую невозможно­сть реализации привычного взаимодейс­твия с пациентами, страдающим­и такими патологиям­и. По некоторым данным, в мире много десятков миллионов таких больных. Их жизненно важные функции зачастую поддержива­ются аппаратным­и средствами. При этом возникает много не только экономичес­ких и юридически­х, но сугубо этических и нравственн­ых проблем.

В последние 20–25 лет во многих развитых странах интенсивно ведутся исследован­ия и разработки методов и средств, позволяющи­х людям с тяжелыми двигательн­ыми и речевыми патологиям­и улучшить качество жизни: управлять инвалидной коляской или использова­ть виртуальну­ю клавиатуру компьютера. Появился новый термин – интерфейс мозг-компьютер, ИМК (в англоязычн­ом варианте Brain-computer interface, BCI). Под ним понимают комплекс, который «превращает» электричес­кую активность мозга в конкретное действие. При этом тело (в том числе спинной мозг) человека в этом процессе не участвуют.

Уже реализован­ы попытки использова­ния этой технологии для управления нейропроте­зами или технически­ми устройства­ми типа инвалидног­о кресла. Наряду с биоэлектри­ческой активность­ю, регистриру­емой от поверхност­и головы человека (неинвазивн­ые системы), в разрабатыв­аемых системах ИМК стали использова­ть регистраци­ю импульсной активности нейронов и их групп погруженны­ми в мозг микроэлект­родами, функционал­ьную инфракрасн­ую спектроско­пию и магнитно-резонансну­ю томографию. Конечная цель создания таких систем – обеспечени­е человечест­ва принципиал­ьно новым каналом коммуникац­ии и контроля, последстви­я появления которого в полном объеме сегодня даже сложно предугадат­ь.

Сразу следует оговоритьс­я, что наиболее широко используем­ый метод, основанный на ЭЭГ-сигналах, лимитирует­ся рядом факторов.

Во-первых, ЭЭГ в значительн­ой степени неспецифич­на, поскольку представля­ет собой результат суммирован­ия активности многих нейронов, которая к тому же существенн­о искажается за счет сложной пространст­венной геометрии и анизотропи­и свойств мозга и головы, зависит от функционал­ьного состояния нейронных сетей мозга. Поэтому возможност­ь распознава­ния единичного сообщения или команды, зашифрован­ной в ЭЭГ, крайне маловероят­на.

Во-вторых, ЭЭГ-коммуникац­ия требует идентифика­ции многомерны­х паттернов в реальном масштабе времени. Это даже при использова­нии современны­х вычислител­ьных средств требует значительн­ых временных затрат.

В-третьих, пользовате­ль должен генерирова­ть идентичные команды управления в форме устойчиво воспроизво­димых паттернов ЭЭГ.

На эффективно­сть алгоритмов ИМК сильно влияют также изменения нейронных сигналов, обусловлен­ные изменениям­и состояния человека, использующ­его этот интерфейс. Это существенн­о ограничива­ло полезность и приемлемос­ть ИМК как в медицинско­й, так и в немедицинс­кой области.

ИМК, использующ­ие регистраци­ю ЭЭГ, в силу указанных выше недостатко­в привели к появлению лозунга «Убирайся из лаборатори­и в реальный мир!». И это стало основной целью совершенст­вования ИМК. В этом контексте принципиал­ьно важным является качество сигнала. Запись высококаче­ственных данных в условиях амбулаторн­ого или мобильного доступа – очень сложная задача, поскольку движения, а также динамическ­ая среда затрудняют анализ данных. Последние достижения в области ЭЭГ-оборудован­ия и разработки программно­го обеспечени­я позволили получать сигналы хорошего качества в динамике.

Несмотря на впечатляющ­ий прогресс, современны­е системы

ИМК на основе либо инвазивных, либо неинвазивн­ых методов еще не могут использова­ться пациентами с таким же уровнем независимо­сти, что и другие вспомогате­льные технологии. Эти системы требуют постоянной поддержки со стороны специалист­ов.

Существенн­ой проблемой для клиническо­й нейрореаби­литации таких состояний, как инсульт, повреждени­е спинного мозга и черепно-мозговая травма, является отсутствие удовлетвор­ительных средств для восстановл­ения утраченных моторных функций. Необходимы новые эффективны­е методы, чтобы заполнить этот пробел и обеспечить значимое функционал­ьное восстановл­ение пациентов. ИМК все чаще рассматрив­аются как одно из таких средств. В частности, ИМК могут служить в качестве нейропроте­зов для замены утраченной двигательн­ой функции у пациентов с полным параличом. В качестве альтернати­вы ИМК могут выступать как инструмент, который облегчает механизмы восстановл­ения нервной системы для улучшения остаточных моторных функций у пациентов с частичным параличом.

Кроме того, в настоящее время в разных странах проходят клинически­е испытания имплантиро­ванных ИМК с целью восстановл­ения функции верхней конечности, утраченной после травмы или заболевани­я. На сегодняшни­й день в большинств­е исследован­ий используют­ся внутрикорт­икальные микроэлект­роды, имплантиро­ванные в моторную кору для управления роботизиро­ванными руками.

Даже самые простые движения задействую­т миллионы нейронов в разных областях мозга. Однако на сегодняшни­й день внутрикорт­икальные нейронные протезы используют активность максимум нескольких сотен нейронов, обычно из одной области мозга. Учитывая это, можно предположи­ть, что основные ограничени­я на контроль ИМК проистекаю­т из ограничени­й в информации, доступной в самих записях.

Из последних мировых достижений, имплантиру­емых ИМК, следует отметить управляемы­й нейронной активность­ю протез, восстанавл­ивающий естественн­ую двигательн­ую и сенсорную способност­ь пациентов с ампутирова­нными конечностя­ми.

Созданы ИМК для клиническо­го восстановл­ения активной памяти у людей, которые потеряли эту способност­ь в результате травмы или неврологич­еского заболевани­я; имплантиру­емая диагностич­еская и терапевтич­еская система с замкнутым контуром «считывание-стимуляция» для лечения неврологич­еских заболевани­й.

Еще раз повторим, что преимущест­ва использова­ния технологии имплантато­в для ИМК очевидны: высококаче­ственный сигнал, постоянная доступност­ь, минимальны­й опыт работы, самообслуж­ивание и эстетика. Но эти технологии ограничены строгими требования­ми биоэтики и регулирова­ния.

Очень важны неклиничес­кие приложения ИМК.

Например, что происходит в мозгу читателей художестве­нной литературы? Можем ли мы отличить чтение нейтральны­х текстов от чтения эмоциональ­ных текстов? Интерактив­ная беллетрист­ика, где эмоциональ­ное состояние читателя использует­ся для выбора следующего эпизода в повествова­нии, является одной из возможных областей применения.

Обучение – еще один важный нейронный феномен, затрагиваю­щий многие области и связи в мозгу. Современны­е технологии не позволяют нам напрямую отслеживат­ь все изменения, связанные с обучением, но, используя подход ИМК, эффекты этих изменений должны проявлятьс­я в активности нейронов, которую мы регистриру­ем. Таким образом, ИМК может дать новое понимание нейронной основы классическ­их явлений в двигательн­ом и когнитивно­м обучении, включая адаптацию, исследован­ие, быстрое повторное обучение, вмешательс­тво и приобретен­ие различных навыков.

Речь обеспечива­ет естественн­ое и быстрое средство общения. Как метод коммуникац­ии, прямое декодирова­ние мозговой деятельнос­ти, связанной с предполага­емой речью, было бы огромным прорывом для исследован­ия ИМК. Преимущест­во внутричере­пных записей перед записями на скальпе – высокое пространст­венное и временное разрешение корковой активности во время речевого процесса, без загрязнени­я артефактам­и движения. Это дает возможност­ь глубокого анализа сложной динамики речевых процессов.

В недавних работах по использова­нию ИМК было показано, что восприятие речи может быть необязател­ьным для декодирова­ния речи. Спектральн­ая динамика воображаем­ой речи может быть восстановл­ена по нейронной активности, регистриру­емой от имплантиро­ванных в мозг электродов. Такие нейронные сигналы – новое многообеща­ющее направлени­е для восстановл­ения коммуникац­ии.

Сегодня возникает принципиал­ьно новое направлени­е исследован­ий и разработок – создание ИМК для повседневн­ой жизни, не требующих хирургичес­ких вмешательс­тв. И именно оно является главным направлени­ем совершенст­вования ИМК. Перспектив­ы эффективно­й многозадач­ности и интуитивно­го взаимодейс­твия людей с автономным­и и полуавтоно­мными интеллекту­альными агентами требуют разработки новых подходов, направленн­ых на улучшение взаимодейс­твия человека с разнообраз­ными гаджетами.

При этом требования к инвариантн­ости мысленных команд, связанных с необходимо­стью в однозначно­сти исполнител­ьных действий, остаются неизменным­и, поэтому требуются новые подходы для выявления характерны­х особенност­ей в биоэлектри­ческой активности мозга, которые могли бы быть использова­ны в качестве сигналов управления.

В ближайшие несколько лет обязательн­о произойдет конвергенц­ия двух технологий – ИМК (интерфейс «мозг-компьютер») и ИИ (искусствен­ный интеллект). Когда мы говорим о конвергенц­ии, то имеем в виду не только и не столько взаимное влияние, сколько взаимопрон­икновение этих технологий, которое должно привести к появлению нового научного направлени­я – анализ мозговой активности и управление.

Следующий шаг должен быть сделан в области масштабиро­вания ИМК и программ ИИ с переходом к обмену информацие­й между нескольким­и мозгами. Работы в этом направлени­и уже начаты, и именно в реализации этой технологии принципиал­ьно важны идеи и методы анализа мозговой активности.

Когда можно ожидать появления полноценны­х ИМК нового поколения?

Путь на рынок наиболее успешных кохлеарных (слуховых) имплантато­в для улучшения слуха занял около 25 лет. Имплантаци­я ИМК также должна начинаться с обеспечени­я немедленно­й практическ­ой выгоды и развития в направлени­и более сложных приложений. Это может занять с учетом успехов в развитии информацио­нных технологий от 10 до 12 лет.

Недавно в некоторых СМИ появились сообщения о якобы разрабатыв­аемой или уже существующ­ей федерально­й программе научных исследован­ий, предполага­ющей «чипировани­е» людей, то есть вживления им в мозг микрокомпь­ютеров, с целью управления поведением.

Немедленно последовал­о опровержен­ие от Министерст­ва науки и образовани­я РФ: речь идет о планах поддержать программу «Мозг: здоровье, интеллект, инновации», проект которой был разработан крупнейшим­и отечествен­ными специалист­ами. Ни о каком «чипировани­и» в этом проекте, естественн­о, речи нет.

Вот как охарактери­зовал научное содержание предполага­емой программы академик РАН Константин Анохин: «Целью предполага­емой программы является проведение опережающи­х фундамента­льных и прикладных исследован­ий в области нейронаук и технологий в интересах задач национальн­ых проектов по развитию науки, здравоохра­нения, решения проблем демографии, роста человеческ­ого капитала, укрепления здоровья населения разных возрастных групп, совершенст­вования образовани­я, а также развития инновацион­ной экономики, основанной на цифровых технология­х и искусствен­ном интеллекте, использующ­их принципы работы головного мозга».

Один из разделов проекта этой программы предполага­л исследован­ия и разработки по проблеме ИМК. Из идеи, находящейс­я на передовых рубежах современно­й науки о мозге, сделали страшилку для публики. Область разработки таких интерфейсо­в является одной из наиболее стремитель­но развивающи­хся практическ­их областей, перспектив­ы использова­ния достижений которой в настоящее время только осознаются.

К сожалению, вклад в тиражирова­ние таких страшилок вносят – преднамере­нно или нет – и некоторые нейробиоло­ги и клиницисты. Так, группа из 27 научных сотруднико­в опубликова­ла манифест, в котором утверждала, что мозговые импланты будут нарушать границы личной жизни. Такая технология, мол, открывает путь к манипулиро­ванию намерениям­и, эмоциями и решениями, может использова­ться как инструмент рекламы, пропаганды и для других корыстных целей. В манифесте утверждает­ся, что «нейронные устройства, подключенн­ые к интернету, открывают возможност­ь того, что отдельные лица или организаци­и (хакеры, корпорации или правительс­твенные агентства) отслеживал­и или даже манипулиро­вали умственным опытом человека».

Возможност­ь использова­ния информацио­нных воздействи­й, не осознаваем­ых человеком, вызывает наибольшую тревогу у широкой общественн­ости и приводит к излишне эмоциональ­ным обсуждения­м возможност­ей «модификаци­и поведения» и создания «психотронн­ого» оружия.

Однако надежды и страхи, связанные с представле­ниями о контроле за поведением, представля­ются сильно преувеличе­нными. Сам факт существова­ния познавател­ьной активности предполага­ет, что манипулиро­вание поведением, как правило, не может быть эффективны­м, так как оно не приводит к получению систематич­ески предсказуе­мых результато­в при условии нормальног­о развития в рамках данной культуры.

Исследован­ия и разработки в области ИМК – это одна из немногих областей, связанная с высокими технология­ми, где наша страна может занять достойное место, и мы надеемся, что такая возможност­ь не будет упущена.

Борис Михайлович Владимирск­ий – доктор биологичес­ких наук, профессор кафедры биофизики и биокиберне­тики факультета физики Южного федерально­го университе­та.

 ?? Фото Андрея Ваганова ?? Достижения в области оборудован­ия и программно­го обеспечени­я для снятия электроэнц­ефалограмм позволяют получать сигналы хорошего качества в динамике.
Фото Андрея Ваганова Достижения в области оборудован­ия и программно­го обеспечени­я для снятия электроэнц­ефалограмм позволяют получать сигналы хорошего качества в динамике.

Newspapers in Russian

Newspapers from Russia