Зрительный протез и управление собакой

Лебедев М.А.
(«ХиЖ», 2016, №4)

brain comp.jpgМихаил Лебедев родился в 1963 году в Москве. Учился в Московском физико-техническом институте (1980-1986), где заинтересовался физикой живых систем, затем работал в Институте проблем передачи информации АН СССР у Виктора Семеновича Гурфинкеля, одного из пионеров современных исследований движения и биоэлектрического управления. В 1991 году Лебедев переехал в США, получил там докторскую степень. С 2002 года он работает в университете Дьюка, в лаборатории Мигеля Николелиса, о которой «Химия и жизнь» писала не раз (2015, 10, 2014, 11). Интереснейшая задача — «взломать» самый совершенный компьютер на Земле, мозг человека и высших животных, научиться считывать с него информацию и вводить ее в мозг напрямую, минуя органы чувств. Новые возможности для медицины, революция в протезировании, в компьютерных технологиях, а затем — как знать? — и «дополненная реальность», где объекты в поле зрения автоматически снабжаются всплывающими окнами с информацией, а собираясь ударить по мячу, вы заранее видите его траекторию. Теоретизировать о будущем любят многие, но делается оно руками немногих. Михаил Лебедев согласился ответить на вопросы «Химии и жизни» о том, что сейчас происходит в этой области.


s20160430 lebedev1.png

На фото вверху: М.А.Лебедев и В.С.Гурфинкель


Михаил, расскажите, пожалуйста, про интерфейс мозг- компьютер. Много ли сейчас существует таких работ? Насколько это сложно и дорого, есть ли надежда, что подобные устройства станут массовыми?


Интерфейс мозг-компьютер (или мозг-машина) — это система, считывающая информацию из мозга и передающая ее к какому-то внешнему устройству, например к механической руке, экзоскелету, экрану компьютера или генератору речи. Первый такой интерфейс продемонстрировал Грей Уолтер в 1963 году. Он записывал потенциал готовности в мозге пациентов во время нейрохирургической операции. Пациенты нажимали на кнопку, чтобы переключать слайды в проекторе слайдов. Примерно за секунду до нажатия кнопки в их моторной коре развивался потенциал готовности, который был достаточно выражен, и это дало Уолтеру возможность отсоединить кнопку и подсоединить проектор слайдов к мозгу напрямую. Теперь слайды переключал потенциал готовности, а не кнопка. Пациенты продолжали нажимать на кнопку и удивлялись: «Как проектор узнал, что я хочу нажать на кнопку? Ведь слайд переключился, как только я об этом подумал, но еще даже не начал движение?» Грей Уолтер не называл этот эксперимент интерфейсом мозг-машина, так как его занимали другие научные вопросы; потребовалось 20 лет, чтобы тема интерфейсов приобрела сначала некоторую известность, а затем бешеную популярность. В настоящее время каждую неделю публикуется порядка пяти — десяти статей по нейрокомпьютерным интерфейсам.

Замечу, что нейрокомпьютерный интерфейс может не только считывать информацию из мозга, но и доставлять ее в мозг. С этой целью используется электрическая стимуляция нервной ткани, которая имитирует нервные импульсы. Наиболее фантастический проект в этой области — это, пожалуй, зрительный протез, который должен вернуть слепым зрение. Представьте систему, состоящую из телекамеры (выполненной, например, в виде очков), информация от которой направляется в зрительную кору. Электрическая стимуляция вызывает зрительные ощущения, и слепой начинает видеть. Такие опыты уже проводились, и ученым удалось восстановить рудиментарное зрение — слепой мог распознавать простые зрительные образы. Но еще многое предстоит сделать, и я думаю, что в скором времени результаты этих разработок станут сенсационными. А вот наиболее успешный нейропротез на данный момент — это кохлеарный имплантат, система, восстанавливающая слух. Более 200 тысяч человек вновь обрели способность слышать благодаря этому имплантату.

Но все же большинство нейрокомпьютерных интерфейсов, в особенности интерфейсы инвазивного типа, сейчас в стадии научных исследований; они пока не вошли в клиническую практику. Такого рода исследования не самые дорогие (но и не самые дешевые). Главное — мы приближаемся к разработке эффективных медицинских систем. Поначалу это будет штучный продукт, причем дорогой. Но, как обычно происходит с любой технологической новинкой (для сравнения возьмем радиотелефон — дорогой, большой и плохо работающий поначалу, но вскоре маленький и дешевый), эти приборы будут становиться все более массовыми и дешевыми.


s20160430 lebedev2.png

М.А.Лебедев и доктор биологических наук, профессор А.Я.Каплан, заведующий лабораторией нейрофизиологии и компьютерных интерфейсов биофака МГУ



Нейропротезы бывают инвазивные, когда электроды вживляются в кору или в какие-то другие структуры мозга, и неинвазивные, действие которых основано на сигналах электроэнцефалограммы. За какими будущее?


Будущее, несомненно, за инвазивными нейропротезами, если, конечно, не будет изобретен способ считывать активность отдельных нейронов неинвазивно. Дело в том, что сигналы ЭЭГ представляют собой синхронную активность множества нейронов, то есть не самую информативную часть этой активности. Наиболее выражена ЭЭГ во сне, когда большое количество нейронов синхронно разряжается. Когда человек просыпается, амплитуда ЭЭГ снижается, а частота увеличивается. Если человек производит какое-то действие, то сигнал ЭЭГ в соответствующих областях мозга (например, если он двигает рукой, — в моторной коре) схлопывается еще сильнее. Это потому, что асинхронно работающие нейроны перерабатывают больший объем информации, чем синхронно работающие. Получается, что ЭЭГ отражает не содержательную часть работы нейронов, а степень их «сна». Так работает, например, нейроинтерфейс, основанный на воображаемых движениях, — он улавливает снижение амплитуды ЭЭГ, когда человек представляет, что он двигает рукой.

Существуют интерфейсы, в которых ЭЭГ-ответы вызываются извне. Например, мигают две лампочки — одна с частотой 5 гц, а другая с частотой 6 гц. В ЭЭГ возникают ответы на тот и другой стимул. Затем испытуемый переводит свое внимание на, скажем, 6-герцовую лампочку; соответствующий ЭЭГ-сигнал усиливается, что можно определить по спектру ЭЭГ. Но что представляет собой этот сигнал? Опять-таки синхронные разряды большого числа нейронов с частотой 6 гц. Чтобы поддерживать этот сигнал, испытуемый должен максимальное внимание уделять этой лампочке, совершенно не отвлекаясь, что приводит к быстрому утомлению, а то и, чего доброго, к эпилептическому припадку. Ведь эпилепсия — это как раз неконтролируемая синхронизация большого числа нейронов.

Инвазивные интерфейсы основаны на других принципах. Здесь синхронизация нейронов не нужна, а нужно лишь отводить сигнал от нейронов, которые вовлечены в действие, например от нейронов, частота разрядов которых коррелирует с движением руки. Это вполне естественный сигнал, не требующий колоссальных усилий от испытуемого.

В настоящее время проблема с инвазивными методиками, во-первых, в том, что для них необходима нейрохирургия. Во-вторых, организм стремится максимально отгородиться от вживленных электродов, покрывая их слоем «изоляции», что снижает качество записи. В-третьих, для записи большого количества нейронов необходимо вживить большое количество электродов, что травматично для мозга. В-четвертых, для усиления нейронной активности нужен элемент питания, который желательно тоже имплантировать, но подходящие системы еще не разработаны. В-пятых, передача сигнала из мозга должна быть беспроводной — это тоже проблема. Но все эти проблемы будут постепенно решены, так что инвазивный имплантат со временем станет безопасным, эффективным и, вполне возможно, распространенным.


Практические применения нейропротезирования очевидны, но с интерфейсом мозг-мозг или Брейнетом (объединением мозга нескольких животных в сеть) все не так просто. Часто приходится слышать вопросы «зачем это нужно?», «почему бы не обмениваться информацией традиционными способами?»

Что мы можем на это ответить?


Все эти вопросы несколько преждевременны, так как ни интерфейсы мозг-мозг, ни Брейнет в настоящее время не настолько развиты, чтобы их можно было сравнивать с традиционными способами обмена информацией. Далее, традиционные способы традиционны лишь тем, что они основаны на наших органах чувств (зрение, слух, тактильная чувствительность и т. д.). Эти органы чувств существуют для естественного восприятия сигналов из внешнего мира, и для этой задачи они оптимальны. Однако современный мир преподносит нам много задач, в которых наши органы чувств неоптимальны. Например, вы не будете долго листать книгу, чтобы найти ключевое слово, а воспользуетесь компьютерным поисковиком, а погоду на завтра вы не станете угадывать по форме облаков, а опять-таки воспользуетесь компьютером. А почему бы какую-то информацию не вводить в мозг напрямую, минуя органы чувств? В некоторых ситуациях это может оказаться очень важно. Зрение, например, работает медленно — нужно по крайней мере 100 миллисекунд, чтобы распознать зрительный стимул; поэтому для ускорения реакции можно попытаться миновать зрение, да и перегружать его не стоит. А как только мы согласились, что подобный способ передачи информации полезен (вспомните, кохлеарные имплантаты уже в ходу), то естественным следующим шагом будет передача информации из мозга в мозг напрямую. Да, это кажется нереальным сейчас, но по мере развития науки и техники приложения для такой схемы найдутся.


С другой стороны, многие авторы «твердой» научной фантастики, например канадец Питер Уоттс, уже пишут о самообучающихся компьютерах на основе живой нервной ткани. Ваше мнение: насколько это реально и есть ли в этом практический смысл?


Это вполне реально. Почему бы в самом деле не использовать биологические ткани для создания компьютеров? Ведь они уже великолепно приспособлены для некоторых вычислений. Могу представить, что даже домашних тараканов с помощью подобных гибридных схем будут использовать в «мирных целях». Упомянутый эксперимент был несколько примитивен: человек управлял одним из традиционных нейроинтерфейсов, основанных на ЭЭГ, а выход этого интерфейса подавался на мозг анестезированной крысы. Ультразвуковой импульс активировал нейроны, что вызывало виляние хвоста. Такого рода эксперимент называют proof of principle, то есть было показано, что крысу можно подчинить мозгу человека, а дальше уж пускай инженеры думают, зачем это нужно. Но пожалуй, инженеры в результате что-то придумают. Например, можно представить ситуацию, в которой хозяин собаки подает ей команды через интерфейс мозг-мозг. Здесь выгода очевидна: не нужно ни кричать, ни махать руками.


Когда я рассказываю о Брейнете, реакция бывает двух видов: «как здорово!» и «как страшно!». Страшно, объясняют, потому что мозг крысы что-то считает, а она об этом не знает. Действительно ли это страшно — ведь в мозге протекает достаточно много неосознаваемых процессов и без Брейнета? Как происходящее выглядит «с точки зрения» крысы, что она должна ощущать?


Мозг человека постоянно что-то считает, но мы об этом даже и не подозреваем. Таких неосознанных процессов гораздо больше, чем осознанных. Например, когда мы стоим на ногах, мозг кропотливо просчитывает, какие сигналы нужно послать к мышцам, чтобы поддерживать равновесие. Мы об этих вычислениях и не знаем. Или, скажем, распознавание речи: мозг это делает за нас. Мы в большой мере и так роботы; поэтому дальнейшая роботизация не слишком опасна. Допустим, некая нейросеть заимствовала ресурсы нашего мозга, чтобы произвести какие-то вычисления; что нам, жалко, что ли? Я полагаю, подобного рода исследования скорее помогут нам разобраться, как работают осознанные и неосознанные процессы и что есть наше сознание, нежели приведут к каким-то страшным последствиям.


Философов тревожат этические и правовые проблемы интерфейса мозг-мозг. Не размоет ли границы нашего Я прямая передача ощущений, как человек сможет защитить свою приватность, что будет с ответственностью за поступки, совершенные в состоянии контакта, — мне уже встречались статьи, где все это обсуждается. Что думают об этом специалисты? Нужно ли нейробиологии что-нибудь вроде Асиломарской конференции для обсуждения необходимых ограничений? Ведь молекулярные биологи собрались в Асиломаре в 1975 году, задолго до того, как рекомбинантные ДНК стали реально опасными.


Скажем, ученые нашли способ переселения душ. Скажем, сознание Пети переселяется в Машу, а сознание Маши в Петю, и по этому поводу срочно собирается конференция, которая требует наложить запрет на подобную деятельность. Что-то в этом роде несомненно будет происходить. Как и в любом деле, здесь нужен правильный баланс: запретительство ничего не решит, прогресс не остановить.


Когда говорят о лаборатории Мигеля Николелиса, редко вспоминают ваши менее «зрелищные» медицинские исследования — изучение болезни Паркинсона и эпилепсии. Можете сказать несколько слов об этом?


Я упоминал выше, что эпилепсия вызывается чрезмерной синхронизацией нейронов; нейронные сети входят в режим автогенерации колебаний и не могут из него выбраться. Так вот, при болезни Паркинсона происходит то же самое, только в несколько других областях мозга, чем при эпилепсии. Для лечения болезни в некоторых случаях полезнее эти области удалить, чем позволить им генерировать автоколебания. Такого рода операции часто бывают очень удачными. В последнее время моднее стало имплантировать электрические стимуляторы, которые подавляют вредные колебания. Надо сказать, медицина не совсем наука — в том смысле, что до сих пор никто толком не знает, как работает эта методика. Для медицины важен результат. Работает — хорошо, а что конкретно происходит в мозге — когда-нибудь разберемся. И кстати, не до конца понятно, лучше ли стимулировать или просто удалить поврежденную область мозга. (Тут вмешиваются интересы медицинских компаний.) Мигель Николелис предложил стимулировать не глубинные области мозга, как делали раньше, а спинной мозг, что делать относительно проще. Сработало. Почему? Когда-нибудь разберемся.


Расскажите, пожалуйста, как вы сами попали в лабораторию Николелиса? Как вам работается в этом коллективе, отличается ли это место от других?


С Мигелем я познакомился в 1992 году, когда сам был аспирантом в университете Теннесси, а он как раз переезжал из Пенсильвании в Северную Каролину. Я следил за его исследованиями, и через десять лет, в 2002 году, сам принял в них участие. На тот момент это была лидирующая лаборатория (и такой она остается) по многоэлектродной записи активности мозга. Каждый коллектив имеет свою специфику. У нас в лаборатории много молодых, талантливых сотрудников, которые и определяют успех исследований и разработок.


Был ли у вашей лаборатории опыт общения с российскими коллегами?


У меня лично большой опыт общения с российскими коллегами. Не будем забывать, что у России есть традиция научной школы, в том числе в области нейронаук. Ну а наука в принципе не имеет границ. Поэтому все виды сотрудничества будут развиваться. Как быстро и в каких формах — это отдельный вопрос.

Разные разности

06.07.2017 10:00:00
...Казанский федеральный университет принял решение прекратить сотрудничество с итальянским хирургом-трансплантологом Паоло Маккиарини, ранее уличенным в этических нарушениях и фальсификации данных («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aal1201)...
>>
31.05.2017 14:02:00
...космический аппарат «Кассини» в последний раз прошел мимо Титана, крупнейшего спутника Сатурна, и направляется в область между планетой и ее кольцами, через которую пройдет 22 раза, а затем, в сентябре 2017 года, нырнет в атмосферу Сатурна («Nature», 2017, 544, 7649, 149—150, doi:10.1038/544149a)...
>>
30.04.2017 10:57:00
...международная коллаборация биологов создала дрожжи с искусственными хромосомами — первый эукариотический организм с синтетическим геномом («Science», 2017, 355, 6329, 1040—1044, doi: 10.1126/science.aaf4557, и другие материалы этого номера)...
>>
30.03.2017 14:30:00
...на карликовой планете Церере в астероидном поясе есть органическое вещество, и оно, по-видимому, не занесено извне, а образовалось на месте («Science», 2017, 355, 6326, 719—722, doi: 10.1126/science.aaj2305)...
>>
25.02.2017 11:23:00
...появилось сообщение, что в Гарвардском университете получен металлический водород — материал, способный совершить переворот в энергетике и ракетостроении («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aal1579)... >>