Архив:

Интерфейсы «мозг-компьютер». Как нейротехнологии стирают границы между человеком и внешней средой

В рамках лекционного марафона «Идеи 2020. Путешествие в мир будущего», состоявшегося в DI Telegraph, руководитель департамента психологии НИУ ВШЭ Василий Ключарёв прочитал лекцию о том, как нейротехнологии стирают границы между человеком и его средой. Он рассказал о новых роботизированных протезах, о том, как можно передавать информацию в мозг и получать ее, а также о сфере применения новых разработок в этой области. «Лента.ру» записала основные положения лекции.

Существуют оптические иллюзии, когда на статичной картинке человек видит движение. Возникают они потому, что так устроена сетчатка нашего глаза, наша зрительная система, наш мозг. Мы можем его обмануть, создавая иллюзорное движение, которого на самом деле не существует. Обычно мы вспоминаем о нашем мозге, когда чувствуем себя плохо: например, ощущаем боль в голове, или хочется еще одну чашечку кофе, или вдруг начинаем забывать какую-то информацию.

Понимание, как работает наш мозг, открывает для нас новые перспективы в осознании окружающей среды, наших взаимоотношений с ней, новые технологии. Нейробиология и нейротехнология основываются на простой мысли, которая зачастую вызывает аллергию у гуманитариев: мы, наши мысли — не более чем активность нейронов.

Донести определенные молекулы лекарства до конкретного нейрона — большая проблема, и ее решением занимается молекулярная фармакология. Генетическая терапия дает возможность восстановить правильную работу нейронов, внедряя молекулярную последовательность определенных генов. На клеточном уровне происходят грандиозные исследования по перепрограммированию работы мозга — если в нем умерло некоторое количество нейронов, то оставшиеся можно перепрограммировать таким образом, чтобы они выполняли функции умерших. Есть фантастические технологии, связанные с комбинацией генетических методов и классических нейробиологических методов. С помощью вирусов в мозг внедряются специальные светочувствительные молекулы, благодаря которым можно включать и выключать его области, используя свет с определенной длиной волны.

Есть и целый раздел нейротехнологий, которым занимаемся мы в нашем Центре нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ. Некоторые из них относятся к нейровизуализации — тому, как нам понять, что происходит в мозге, ведь нельзя же заглянуть внутрь черепной коробки. Вместо этого можно попробовать зарегистрировать его активность и визуализировать ее на экране компьютера с помощью определенных математических методов. Существует и целое направление интерфейсов «мозг-компьютер», позволяющих напрямую связать мозг с ЭВМ. Сейчас специалисты центра развивают несколько технологий: нейровизуализация, интерфейсы «мозг-компьютер», нейромаркетинг и нейроэкономика.

Из мозга

Уже сейчас нейротехнологии меняют представление о человеке и его взаимодействии с окружающей средой. Введем несколько простых постулатов: у человека есть мозг, который потребляет информацию из окружающей среды, поступающую от органов чувств. Он перерабатывает данную информацию и на выходе задействует систему управления мышцами — например, моторные нейроны могут посылать импульсы на мышцы руки, благодаря чему мы можем писать.

Предположим, человек прочел чье-то письмо, переработал его содержимое в мозге и написал ответ, и при этом именно мышцы руки, активируясь, позволяют ему писать сложные знаки на бумаге. Если человек хочет что-то сказать, то активируются мышцы языка, рта, позволяющие произносить слова и фразы, если хочет подмигнуть, то начинают работать мышцы, расположенные вокруг его глаз. Единственный выход нашего мозга [во внешнюю среду] заключается в активации мышц.

af6919abf86937469372c00305aec297.jpg

Трехлетней глухонемой американке Анжелике Лопес был введен имплантат в слуховую область коры мозга. Это позволило ей слышать звуки. Методика возвращения слуха разработана в Университете Южной Калифорнии.

405908aca77e9ee5ec736ff883413801.jpg

Кохлеарный имплантат — протез, позволяющий компенсировать потерю слуха людям с тяжелой степенью нейросенсорной тугоухости. Микрофон отправляет звуки на компьютер, имплантированный под кожу головы, электроды стимулируют слуховой нерв.

Предположим, человек пишет письмо. Конечно, мы можем прочесть то, что он пишет, но представьте: на некоторых мышцах его руки и ладони лежат сенсоры. Можно ли понять написанное им, не глядя на бумагу, а по активности его мышц? Да, с помощью простых математических методов, причем с достоверностью, близкой к 100 процентам. Таким образом, по активности мышц становится понятно, что он делает (думает) или хочет сделать.

Представьте себе человека, неспособного пользоваться своими мышцами, например парализованного. Он отлично понимает, что хочет сделать, но не может заставить себя двигаться. Здесь ему на помощь приходят технологии. Мне очень нравится проект помощи парализованным художникам, которые раньше рисовали граффити на стенах. Им надевают специальные очки, отслеживающие их взгляд. С помощью взгляда такой художник может нарисовать и раскрасить на экране компьютера изображение, при этом оно проецируется на стену здания, находящегося на другом конце города. Человеку, который не способен пользоваться руками, дают возможность дать выход своей творческой энергии и, в некотором роде, стереть обыденные представления о пространстве.

Тем не менее бывают случаи, когда человек не может и этого. Например, бывший премьер-министр Израиля Ариэль Шарон пролежал в коме несколько лет. Без возможности каким-либо образом контактировать с ним родственники не знали, что творится в его голове, чувствовал ли он что-нибудь. Как следует вести себя в таком случае? Положить пациента в уголок, чтобы никому не мешал? А вдруг человек переживает, чувствует, страдает и нужно каждый день находиться рядом с ним, например читать ему книги? Как понять, что он жив?

Британские ученые (профессор Адриан Оуэн) провели отличное исследование на эту тему. Предположим, что мы кладем человека в магнитно-резонансный томограф. Если посмотреть на моторную кору его головного мозга в момент, когда он двигает рукой, окажется, что она активна. Но если человек только воображает движение, его моторная кора также активируется. Здоровым людям, лежащим в томографе, предложили представить, что они играют в теннис, в результате чего этот отдел мозга сразу же активировался. Затем попросили сделать то же самое испытуемую, которая долгое время лежала в коме и никто не знал, в сознании ли она. В результате экспериментаторы зафиксировали активность моторной коры. Таким образом, они получили возможность напрямую коммуницировать с мозгом. Человек не может ничего сказать или написать, но посылает сигнал активности, который можно зарегистрировать.

Понятно, что создать интерфейс, обеспечивающий прямую коммуникацию с мозгом, непросто, так как этот орган очень сложно организован и создан из миллиардов нейронов. Они общаются между собой с помощью окончаний синапсов, бомбардируя друг друга химическими соединениями — здесь программируются наши решения, посылаются сигналы мышцам. Мы можем попробовать в этот процесс вмешаться и помочь человеку, который не может двигаться, транслировать его намерения в движения, например, робота.

Более десяти лет назад я увидел ролик, в котором роботизированный протез руки был напрямую подключен к мозгу обезьяны и она управляла им, могла кормить себя с помощью него. Подход тут достаточно простой: в мозг обезьяны вживляются электроды, и происходит математическая попытка декодировать ее желания. Для этого животному дают джойстик и следят за активностью областей головного мозга, когда она пытается, скажем, переместить с помощью него курсор на экране вправо или влево, после чего разрабатывают алгоритмы, учитывающие желание примата двигать рукой в том или ином направлении. Затем у обезьяны забирают джойстик и она начинает управлять курсором без него, силой мысли. Эти команды животное способно подавать не только курсору, но и роботизированной руке.

Тот же подход можно повторить и в случае с человеком. Уже существуют микрочипы, напрямую соединяющиеся с мозгом парализованного пациента и позволяющие им, например, брать кусочек шоколада, используя манипулятор, подключенный к системе, и отправлять его себе в рот или раскладывать предметы по полочкам. Наше представление о том, что есть наши органы — руки, ноги, немного стирается, когда пациент начинает пользоваться автоматическими протезами.

На открытии чемпионата мира по футболу первый удар по мячу был нанесен мальчиком с парализованными ногами. Его поместили в экзоскелет и не стали вживлять электроды в мозг — активность считывалась с поверхности черепа с помощью электродов. В этом проекте принимал участие и Михаил Лебедев из Университета Дьюка, сотрудничающий с Центром нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ. Сейчас мы в Высшей школе экономики запустили совместно с Михаилом проект по созданию экзоскелетов, которыми человек будет управлять с помощью интерфейсов «мозг-компьютер».

В мозг

Давайте усложним ситуацию: человек слеп или глух — можно ли ему помочь? Опять же, Михаил Лебедев в лаборатории Мигеля Николелиса усложнил приведенную выше ситуацию с обезьяной. Мы знаем, что можем считывать активность нейронов головного мозга обезьяны и управлять таким образом роботизированной рукой. Представим, что она ощупывает поверхность и получает некую информацию обратно: ведь когда мы берем предмет своей рукой, то ощущаем его вес, текстуру, температуру. Можно сделать так, чтобы искусственный манипулятор передавал информацию об объекте обратно в мозг. Когда обезьяна прикасается роботизированной рукой к поверхности, то эта рука передает сигнал обратно в мозг на определенной частоте стимуляции, в зависимости от текстуры предмета. То же самое она может проделывать и с виртуальными предметами, управляя виртуальной рукой на экране компьютера. Это новая реальность, в которой мы считываем информацию, посылаем ее неким аватарам в виртуальном пространстве, путешествующим по нему и испытывающим реальные ощущения от прикосновения к виртуальным объектам.

Указанное выше делается, чтобы начать создание искусственных органов чувств, например зрения. Некоторые из них уже существуют, и они хорошо себя зарекомендовали. То, что казалось невозможным, теперь реально, например кохлеарные имплантаты. Тысячи людей пользуются этим искусственным органом слуха, если у них нарушено правильное функционирование ушной улитки. В этом аппарате есть мембрана, чувствительная к звуку, а сам он преобразует звук в электрический сигнал, который передается напрямую к звуковому нерву. Сам аппарат располагается на ухе и к нерву подключается с помощью оперативного вмешательства.

Мы в нашем центре занимаемся, в том числе, стимуляцией мозга для коррекции поведения человека. Благодаря транскраниальному магнитному стимулятору доступно создание сфокусированного магнитного поля и воздействие на определенные области мозга пациента — «включение» или «выключение» их. Таким образом, например, можно временно запретить человеку говорить, или заставить его поднять руку, или двинуть пальцем помимо его воли. С помощью данной технологии доступно временное влияние на некоторые аспекты поведения пациента. Все эти эффекты уходят в течение нескольких минут, если воздействие не повторять. Такой метод уже используют для лечения депрессии.

Наш профессор Матео Феура показал, что мы можем стимулировать области мозга на разных частотах, помогающих людям выполнять ту или иную операцию. В одном из экспериментов испытуемым нужно подбирать карточки по конкретным критериям (форме, цвету), используя определенную логику. Стимуляция помогла им быстрее выполнять такие операции. Эта же технология применяется для помощи людям при отказе от наркотиков или алкоголя.

c56fee1b48ab41b61a62a1c8ef249e20.jpg


В нашей группе мы изучаем оптимизацию финансовых решений. С помощью транскраниального магнитного стимулятора можно повлиять на склонность человека к риску, самоконтроль, некоторые аспекты реакции на справедливость или несправедливость. Мы пытаемся понять, как люди принимают решения, и в тяжелых ситуациях помочь им принять правильные решения. В основном эти исследования сосредоточены в области рекламы. Наши коллеги в Стэнфордском университете давно показали, что если просканировать мозг человека во время совершения покупки, то можно понять, купит он данный товар или нет. Это направление называется «нейромаркетинг», и мы им занимаемся. Исследования в данной сфере делают первые шаги.

Следует понимать, что каждое знание о том, как работает мозг, нужно для лечения заболеваний с ним связанных. Последние данные показывают, что важность болезней, связанных с этим органом, долгое время недооценивалась — оказалось, что на их лечение только в Европе тратится 800 миллиардов евро ежегодно. Это больше, чем расходы на лечение сердечно-сосудистых заболеваний, рака и диабета вместе взятых. Создание инструментов и технологий для борьбы с проблемами мозга является важным для экономики.

Нейротехнологии стирают наше представление о взаимодействии с окружающей средой. С помощью них мы можем транслировать наши движения на тысячи километров роботизированному аватару, оперировать внутри виртуального трехмерного пространства, не только передвигая аватар, представляющий нас, но и получая от него виртуальные ощущения.

Михаил Карпов

Источник: Лента.Ру

ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ