Нейроинтерфейс

Предупреждение: тема нейроинтерфейсов настолько обширна и интересна, что не представляется возможным отразить всё в одном посте. Так что, всё, что здесь написано преследует цель дать лишь самое общее представление о brain-computer interface.

Поскольку мощности современных компьютеров растут, так же как и наше понимание работы человеческого мозга, мы всё больше приближаемся к тому, чтобы воплотить самые смелые прогнозы фантастов в жизнь. Представьте, что возможно было бы передавать электрические сигналы непосредственно в мозг или из мозга электронным устройствам. Это позволило бы управлять компьютерами или любой другой техникой буквально силой мысли. А для людей с ограниченными возможностями, разработка нейроинтерфейса (или интерфейса "мозг-компьютер" - brain-computer interface, BCI) может стать крупнейшим технологическим достижением за последнее время.





Идея научить компьютер “чувствовать” человеческие эмоции лежала на поверхности. Еще в 1933 году американский полицейский Леонард Киллер изобрел первый полиграф, называемый в простонародье “детектором лжи”. Суть данного устройства проста: фиксируя незначительные изменения физиологических функций (частот пульса и дыхательных движений, потливости рук и так далее) оно с высокой вероятностью показывает, когда человек лжет. Казалось бы, достаточно “прикрутить” полиграф к компьютеру, доработать программное обеспечение — и вы сможете фиксировать различные эмоциональные состояния человека, такие, например, как страх и возбуждение. Добавьте сюда видеокамеру с микрофоном, программные модули, фиксирующие изменения выражения лица и эмоциональной окраски речи — и вы получите полноценный “детектор эмоций”, плотной сетью окутывающий человека и улавливающий практически любое изменение его состояния.


Однако все выглядит настолько просто лишь в теории. Ну а при переходе к практике, мигом начинают возникать проблемы. Дело в том, что тестирование на полиграфе обычно проводится при участии опытного специалиста, и даже несмотря на это бывали случаи, когда хитрая техника, предназначенная для того, чтобы уличать жуликов во лжи, сама начинала нагло и беззастенчиво врать. В случае же с коммерческой программой постоянное присутствие оператора вряд ли будет возможным. Да и задача, которая ставится перед “детекторами эмоций”, на порядок сложнее — ведь им приходится фиксировать не одну ложь, а очень широкий спектр непохожих друг на друга эмоций, которые, к тому же, у разных людей проявляются по-разному. У кого-то на лице мигом отображается самые мимолетные перемены настроения, а кто-то даже перед смертью “и глазом не моргнет”.
Так что нет ничего странного в том, что на сегодняшний день даже самые совершенные прототипы полноценных “детекторов эмоций” требуют сложной и продолжительной процедуры калибровки и даже после нее правильно справляются со своей задачей всего лишь в 60-80% случаев.



После разработки первого полнофункционального нейроинтерфейса потребность в описанных выше “детекторах эмоций” отпадет — ведь интерфейс, работающий на уровне импульсов головного мозга, скорее всего можно будет обучить “распознавать” и мозговые процессы, ответственные за возникновение тех или иных действий, лежащих в основе эмоций. Впрочем, создание столь сложного устройства наверняка потребует еще очень и очень много времени.
Отсчитывать историю нейроинтерфейсов принято с далекого 1967 года. Тогда ученый Эдмонд Дьюэн, вооружившись электроэнцефалографом — прибором для регистрации биоэлектрической активности головного мозга — провел весьма интересный эксперимент, в ходе которого добровольцы учились контролировать амплитуду мозгового альфа-ритма и передавать на электроэнцефалограф сигналы, соответствовавшие точкам и тире азбуки Морзе. После нескольких тренировок человеческий мозг наконец-то “произнес” свое первое слово — “кибернетика”.


Положительный результат проводимых Дьюэном экспериментов привел к тому, что разработкой нейроинтерфейсов заинтересовались медики и военные. Первым подобные устройства были нужны для помощи людям с физическими недостатками, вторые же спали и видели во сне танки и истребители, управляемые одной лишь силой мысли. В десятках отлично оборудованных лабораторий закипела работа, первые результаты которой были продемонстрированы людям уже в 90-х годах прошлого века.


С помощью нейроинтерфейсов стало возможным перемещать курсор на экране компьютера, набирать текст, управлять креслом-каталкой и даже контролировать движения искусственной руки. Первым человеком, согласившимся на испытания новой технологии, стал Джесси Салливан, электрик из Теннеси, лишившийся обеих рук в результате несчастного случая, происшедшего в 2001 году. В ходе операции хирурги соединили уцелевшие в области плеч нервные окончания с мускулами грудной клетки. Сюда же были вживлены электроды, фиксирующие электрические сигналы во время сокращений мышц. Разработаны и тестируются даже специальные модули нейроуправления для компьютерных игр.


Но даже самые современные методы исследования электрической активности нервных клеток слишком грубы: для измерений потенциалов используются микроэлектроды, диаметр которых во много раз больше, чем тело нейрона, позволяющие получать информацию об активности групп клеток.


Наноструны диаметром около десяти нанометров в тысячу раз меньше микроэлектродов, поэтому они обеспечивают «нежное» прикосновение к отдельным аксонам и дендритам. Кроме того, наноструны могут определять электрический сигнал в 50 точках на протяжении одного аксона, что до сих пор было невозможно.
С помощью наноэлектродов можно не только получать информацию о сигналах, передающихся вдоль аксонов и дендритов отдельных нейронов млекопитающих, но и подавать на них электрические импульсы.



Причина, по которой нейроинтерфейс возможен - это способ фунционирования нашего мозга. Мозг заполнен нейронами, отдельными нервными клетками, связанными друг с другом дендритами и аксонами. Каждый раз мы думаем, перемещаем, чувствуем или вспоминаем что-то, наши нейроны работают. Эта работа выполняется небольшими электрическими сигналами, которые проносятся от нейрона к нейрону со скоростью 400 километров в час. Сигналы генерируются разностью потенциалов, вызываемой ионами на оболочке каждого нейрона.
Хотя дорожки, по которым проходят сигналы, изолированы веществом под названием миелин, происходят утечки части электрических сигналов. Ученые могут обнаружить эти сигналы, интерпретировать их значение и использовать для управления каким-либо устройством. Возможна и обратная ситуация. Например, исследователи могут выяснить какие сигналы посылает мозгу оптический нерв, когда человек видит красный цвет. Потом они могут подстроить камеру, которая будет посылать точно такие же сигналы в чей-то мозг всякий раз, когда камера видит красный, позволяя слепому человеку "видеть" без глаз.



Хотя мы уже понимаем основные принципы построения нейроинтерфейсов, они не работают идеально. Есть несколько причин для этого.
1.Мозг невероятно сложен. Сказать, что все мысли или действия являются результатом простых электрических сигналов в мозге - грубое преуменьшение. В человеческом мозге приблизительно 100 миллиардов нейронов. Каждый нейрон постоянно посылает и получает сигналы через сложную сеть связей. В деятельность нейронов также вовлечены химические процессы, которые не отражаются на электроэнцефалограммах.
2.Сигнал является слабым и неустойчивым к помехам. Электроэнцефалограммы измеряют крошечные потенциалы напряжения. Такое простое действие как моргание может вызвать более сильные сигналы. Возможно, совершенствование обработки электроэнцефалограмм и имплантанты помогут преодолеть эту проблему до некоторой степени в будущем, но пока чтение мозговых сигналов похоже на прослушивание плохой телефонной линии с большими помехами.
3.Оборудование менее чем портативно. Оно намного лучше, чем было раньше - ранние системы были соединены проводами с массивными мэйнфреймами. Но некоторые BCI все еще требуют проводной связи с оборудованием, а беспроводные системы требуют ношения компьютера, весом приблизительно в 5 килограмм. Естественно, в будущем эти системы значительно полегчают и станут более автономными.



Естественно, что наибольшее распространение идея нейроинтерфейса получила в научной фантастике.
Вероятно, самым впечатляющим произведением, описывающим мир мозговых имплантантов, стал "Нейромант" Уильяма Гибсона (1984 год). Как и подобает первому роману в жанре "киберпанк", "Нейромант" установил каноны жанра, описав мир, где люди используют мозговые имплантанты для увеличения силы, улучшения зрения, памяти, и т.д. Гибсон придумывает термин "матрица" и вводит понятие подключения к сети с помощью головных электродов или имплантантов. Он также исследует возможные применения мозговых имплантантов для развлечения, например "simstim" (симулируемая стимуляция), который является способом записи и воспроизведения ощущений и информации от органов чувств.
В дальнейшем нейроинтерфейс в том или ином виде стал одной из ключевых идей "киберпанка" и встречался например в таких фильмах как "Джонни-Мнемоник" или "Матрица".


Технология кибермозга - одна из центральных тем аниме и манги Ghost in the Shell. Имплантирование мощных компьютеров обеспечивает значительно увеличенную вместимость памяти, полную память о всех событиях и возможность воспроизведения воспоминаний на стороннем устройстве. Пользователи могут также поддерживать телепатический контакт с другими обладателями кибермозга. Недостатком этой технологии является возможность взлома кибермозга, злонамеренного изменения памяти, контроля поведения и преднамеренного искажения субъективной действительности и опыта.