Нейроинтерфейс: технология для «чтения мозга», лечения людей и манипулирования

Нейроинтерфейсы Автор: Ольга Аверкиева | 24 апреля 2018, 20:17

Уже несколько десятилетий ученые со всего мира пытаются соединить человеческий мозг с компьютером. Вслед за ними идею создания нейроинтерфейса подхватили крупные бизнес-корпорации и стартапы. О намерении разработать систему, которая поможет управлять объектами силой мысли, уже заявили Facebook и Илон Маск. Одни возлагают на нейроинтерфейсы надежды — технологии позволят людям с ограниченными возможностями восстановить утраченные функции, улучшить реабилитацию человека, перенесшего инсульт или черепно-мозговую травму. Другие скептически настроены к подобным разработкам, полагая, что их использование чревато юридическими и этическими проблемами.

Что такое нейроинтерфейс и зачем он нужен?

Нейроинтерфейс, он же — «мозг-компьютер», — система для обмена информации между мозгом человека и электронным устройством. И это технология, которая позволяет человеку взаимодействовать с внешним миром на основе регистрации электрической активности мозга — электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Желание человека совершить какое-то действие отображается в изменениях ЭЭГ, что в свою очередь расшифровывает компьютер. Нейроинтерфейсы бывают однонаправленные и двунаправленные. Первые либо принимают сигналы от мозга, либо посылают их ему. Вторые могут посылать и принимать сигналы одновременно.

Ключевая особенность нейроинтерфейса состоит в том, что он позволяет подключиться к мозгу напрямую. Что это может дать на практике? Нейроинтерфейсы, например, способны облегчить или кардинально изменить жизнь парализованных людей. Кто-то не может, писать, двигаться или разговаривать. Но при этом мозг находится в прекрасном рабочем состоянии. Так вот нейроинтерфейс позволит совершать этим людям определенные действия, считав лишь их намерения с помощью электродов, подключенных к мозгу.

Можно сказать,что история нейроинтерфейса началась в 1875 году, когда английский доктор Ричард Катон обнаружил, что может зарегистрировать электрическое поле, пусть и слабое, на поверхности мозга кроликов и обезьян. Затем было множество открытий и исследований. А первый нейроинтерфейс, если его можно было так назвать, появился в 1950-е годы. Именно тогда профессор физиологии Йельского университета Хосе Мануэль Родригес Дельгадо изобрел устройство «Стимосивер», которое можно было вживлять в мозг и которое управлялось с помощью радиосигналов. В 1963 году Дельгадо провел ставший знаменитым эксперимент — вживил стимосиверы в мозг быков и управлял ими через портативный передатчик.

Эксперимент Дельгадо с быком

Уже в 1972 году в продажу поступил кохлеарный имплант, который преобразует звук в электрический сигнал, передает его мозгу и фактически позволяет глухим людям слышать. В 1973 году впервые был употреблен термин «brain-computer interface» — нейроинтерфейс. В 1998 году ученый Филипп Кеннеди имплантировал первый нейроинтерфейс в пациента — музыканта Джонни Рэя. Он потерял способность двигаться в результате инсульта. Но благодаря имплантации научился двигать курсором, лишь представляя движение рук.

Нейроинтерфейсы, которые «лечат» людей

Женщина, парализованная 15 лет, самостоятельно пьет, мысленно управляя рукой

В начале 2000-х начался новый этап становления нейрофизиологии. И нейроинтерфейсы прочно нашли свое применение в медицине. В 2004 году американец Мэтью Нейгл, который за несколько лет до этого оказался парализованным, стал первым человеком, в мозг которого вживили имплант BrainGate. Сначала с помощью этого устройства, лишь представляя, что он двигает руками, Нейгл научился перемещать курсор по экрану компьютера, затем — включать телевизор, переключать каналы, брать предметы роботизированной рукой, играть в компьютерные игры. Но в 2007 году Нейгл умер от инфекции. Вместе с тем исследовательское объединение BrainGate продолжило свои испытания, и делает это с успехом и сейчас. Например, в 2012 году участница эксперимента, организованного проектом BrainGate2, смогла самостоятельно выпить кофе. Это стало настоящим прорывом. Женщина в течение последних 15 лет была полностью парализована. И благодаря новой разработке BrainGate2 она впервые за это время смогла мысленно управлять искусственной рукой, взять ею предмет, поднести к себе и поставить обратно. В 2017 году ученые BrainGate разработали нейроинтерфейс, способный легко адаптироваться к быстрому и точному управлению протезом.

И если какое-то время назад некоторые задачи в области развития нейроинтерфейсов казались невыполнимыми, сейчас это вполне реально. Сначала компьютер мог расшифровывать только самые простые намерения человека. К примеру, ему не удавалось считывать, хочет человек пошевелить правой рукой или левой. Но в 2016 году сотрудники Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе разработали нейроинтерфейс, который позволяет управлять отдельными пальцами протеза руки. Ученые установили на отвечающем за движение рук участке мозга пластину из 128 электродов. Электрические сигналы, полученные при движении каждого пальца, записали и на их основе запрограммировали протез так, чтобы пальцы руки, подключенной к электродам в мозге, двигались по отдельности. Причем, сначала точность управления пальцами достигала 76%, а после доработки — 96,5%.

Разработка Университета Джонса Хопкинса

Ученые по всему миру занимаются совершенствованием нейроинтерфейсов. Появляется все больше проектов, разработок, научных исследований в этой сфере и исследовательских групп, которые этим занимаются. В числе последних — немецкий «The Berlin Brain-Computer Interface», лаборатория нейроинтерфейса в Итальянском институте технологий, лаборатория BCI японского Университета Цукубы, голландский Институт исследования мозга, познания и поведения им. Франциска Дондерса и десятки других.

На исследования человеческого мозга с помощью нейротехнологий выделяются миллиарды долларов. В 2013 году в Швейцарии запустили международный проект The Human Brain Project, рассчитанный на 10 лет и ставящий перед собой задачу создания первой в мире модели человеческого мозга с помощью компьютеров. Проект объединил около 500 ученых из более сотни университетов и исследовательских центров со всего мира.

В 2013 году в США стартовал проект Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, бюджет которого оценили в 4,5 миллиарда долларов. Цель проекта — составить полную карту процессов, которые происходят в человеческом мозге.

Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) в рамках программы Neural Engineering System Design (NESD) только в 2017 году заключило шесть контрактов на 65 миллионов долларов на разработку нейроинтерфейсов. Финансирование получили Paradomics, Университет Брауна, Колумбийский университет, Фонд зрения и слуха, Лаборатория Джона Б. Пирса, Калифорнийский университет (Беркли). Все эти организации будут заниматься исследованиями в течение четырех лет. И каждая из них занимается своим проектом. Так, команда, Калифорнийского университета из Беркли работает над созданием микроскопа, который сможет изучить активность миллиона нейронов внутри мозга. Стартап Paradromics (единственная частная компания, которая получила грант) разрабатывает устройство Neural Input-Output Bus, которое поможет восстановить речевые функции. Эта разработка позволит регистрировать активность участков мозга, отвечающих за обработку звуков. Благодаря NIOB человек будет представлять, что хочет сказать, а устройство сможет воспроизводить речь. А, к примеру, специалисты из Лаборатории Джона Б. Пирса бросят усилия на создание оптических протезов.

За последние пять лет в области развития нейроинтерфейсов произошли серьезные достижения. Вот некоторые из них. Международная группа ученых создала систему на основе функциональной спектроскопии в ближней инфракрасной области, которая позволяет людям с синдромом «запертого человека» отвечать «да» или «нет» на заданный вопрос. Калифорнийские ученые создали протез, который способен улучшить память человека примерно на 30% после того, как его подключат к мозгу. Исследователи из Университета Цинхуа и Калифорнийского университета ускорили работу неинвазивного нейроинтерфейса до одного символа в секунду. Специалисты из Калифорнийского университета с помощью нейроинтерфейса, нейромускульной стимуляции и подвеса научили ходить человека, парализованного ниже пояса. Бразильские исследователи вместе с коллегами из США, Швейцарии и Германии смогли частично восстановить спинной мозг у пациентов с помощью нейроинтерфейса, виртуальной реальности и экзоскелета.

Как малый и большой бизнес увлеклись нейроинтерфейсом

Бизнес заинтересовался нейроинтерфейсами относительно недавно, расширив при этом область их применения. В 2003 году шведская компания Interactive Productline выпустила игру Mindball, в которой игроки управляли мячом с помощью мысленных команд. Один комплект игры стоил тогда порядка 19 тысяч долларов.

Примерно в то же время была создана австралийская компания Emotiv, которая разрабатывает электронику нейроинтерфейсов на основе ЭЭГ. В 2017 году американские ученые в своем исследовании использовали один из продуктов компании — шлем EPOC+ (его цена 799 долларов), распознающий волны электрической активности мозга и определяющий эмоциональное состояние человека. Исследователи продемонстрировали возможность устройства частично угадывать пароль, необходимый для входа в банковский аккаунт.

Еще один представитель на рынке развлекательных интерфейсов — компания из Калифорнии NeuroSky, которой мир обязан за относительно недорогую гарнитуру MindWave, позволяющую с помощью компьютера или другого гаджета наблюдать за ритмами мозга, или влиять на действия героев видеофильмов.

Канадский стартап InteraXon, основанный в 2007 году, выпустил в 2014 году устройство для медитации Muse. Многие называют его повязкой, сенсоры которой при надевании на голову отслеживают состояние мозга. По сути устройство улучшает качество медитации и способствует лучшему расслаблению и снятию напряженности. А британская компания NeuroPlus разработало устройство, которое помогает людям с синдромом дефицита внимания и гиперактивности улучшить свою способность концентрироваться.

Еще один любопытный стартап — основанная в 2016 году компания OpenWater. Ее специалисты разрабатывают нейроинтерфейс для телепатии. По задумке компании, это должно быть устройство, схожее с МРТ, — оно даст людям возможность видеть, что происходит внутри мозга и организма в любое время. Причем, предполагается, что это будет компактный девайс, который станет массовым в течение 8 лет.

Более того, нейроинтерфейсами заинтересовались не только специализированные компании и стартапы, но и бизнес-гиганты. Например, в начале этого года стало известно, что Nissan разрабатывает нейроинтерфейс, который позволит автомобилю лучше реагировать на изменение обстановки, как бы предугадывая реакцию водителя, прежде чем он повернет или нажмет на тормоз.

Нейроинтерфейс для водителей

Идея соединить человеческий мозг с компьютером покорила и одного из самых известных миллиардеров мира. Год назад Илон Маск сообщил, что тоже займется развитием нейроинтерфейсов. Специально для этого он создал компанию Neuralink, которая будет разрабатывать технологию «нейронного кружева» — крохотных чипов, которые будут имплантировать в мозг. Они улучшат когнитивные способности человека и помогут людям, которые пережили травмы головного мозга. В ближайшие 4 года компания уже планирует выпустить чипы для людей, кто перенес инсульт, обладает врожденными или онкологическими заболеваниями, страдает параличом. Маск, считает, что через 8-10 лет технология станет доступной людям без патологий. Предполагается, что нейроинтерфейс не только улучшит работу мозга, но и позволит людям общаться телепатически. По словам Маска, сейчас человеческий мозг сжимает информацию, и данные передаются на низкой скорости. А благодаря нейроинтерфейсу можно будет передавать собеседнику несжатую информацию напрямую.

Конечно же инициатива Маска встретила не только восторг его фанатов, но и критику. Юрист из Университета Кембриджа Кристофер Маркоу рассказал о проблемах, с которыми придется столкнуться разработчикам. По его словам, для того, чтобы внедрять в здорового человека электроды, нет пока ни юридической, ни этической базы. Кроме этого, нейроинтерфейс может сделать мозг человека объектом, в который захотят проникнуть правительства, рекламодатели, страховые агенты и т.д. Также Маркоу назвал проблему безопасности, а точнее возможность взлома, которая возникнет, как только мы подключим мозг к компьютеру.

Примерно в это же время о планах заняться разработкой нейроинтерфейса заявили и представители Facebook. Как рассказала руководитель исследовательского подразделения компании Регина Дуган, речь идет о технологии, благодаря которой пользователи смогут набирать текст без клавиатуры. Разработка окажется полезной для парализованных людей. По словам Дуган, система будет расшифровывать слова, которые человек решил произнести, отправив в речевой центр мозга.

«Мозг-компьютер» российского производства

В России есть несколько лабораторий, которые плотно занимаются изучением нейроинтерфейсов. Одна из них — лаборатория нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ им. М.В Ломоносова. На достижениях ее сотрудников основана технология «Нейрочат», позволяющая людям с ограниченными возможностями нормально общаться друг с другом и вообще с миром. Как утверждают создатели, «гарнитура регистрирует нейрофизиологические показатели пациента и преображает его мысленные усилия в определенные команды для клавиатуры компьютера или других исполнительных устройств. С помощью трансляции мысленного выбора того или иного символа в реальный набор этих символов на экране, человек буква-за-буквой может набрать текст без усилий голоса и движений». В феврале этого года «Нейрочат» впервые использовали в трансконтинентальном сеансе связи между пациентами с тяжелыми нарушениями речи и движений. Причем каждый из них «говорил» на своем языке, а нейроинтерфейс переводил сообщения собеседнику на родной для него язык.

Трансконтинентальный сеанс связи с использованием «Нейрочата»

В марте ученые Саратовского государственного университета получили грант в 500 тысяч рублей на разработку нейроинтерфейса для улучшения качества сна и контроля пробуждения. Предполагается, что это будет аппарат с датчиками, которые будут крепиться к голове человека и во время сна — считывать сигналы мозга. На реализацию проекта потребуется два года.

Кроме этого, в России, как и за рубежом, есть стартапы, которые поставили перед собой задачу связать мозг с компьютером. Хотя в России, по сравнению с Европой или США, интерес бизнеса к нейроинтерфейсам пока не так высок. Например, есть компания Innovative Brain Solutions (iBrain), которая создала неинвазивный нейроинтерфейс для постинсультной реабилитации. По словам генерального директора компании Константина Сонькина, в ближайшие два года они займутся разработкой системы прямого управления роботизированной кистью руки и игровых сред, где управление строится на основе сигналов мозга. Или же компания Neurobotics — ее специалисты создали нейроинтерфейс, который позволяет управлять квадрокоптером с помощью мозговых импульсов.

Будущее нейроинтерфейсов

Согласно анализу Grand View Research, объем глобального рынка компьютерных интерфейсов к 2022 году достигнет 1,72 млрд долларов. Сейчас основная область применения нейроинтерфейсов — это медицина. Но наряду с этим, к технологии «мозг-компьютер» начинает проявлять интерес бизнес, отдавая предпочтение различным игрушкам, которыми можно управлять с помощью «силы мысли». Нейроинтерфейсы также могут найти, да и уже находят, применение в управлении роботами.

По мнению экспертов, до того, как нейроинтерфейсы станут частью нашей повседневной жизни, могут пройти десятилетия. Но уже сейчас понятно, что развитие технологий идет по пути к миру, в котором можно будет расшифровать психические процессы людей, манипулировать процессами, связанными с эмоциями или намерениями, общаться с людьми без слов.

Внедрение нейроинтерфейсов, безусловно, вызывает опасения. С одной стороны, нейроинтерфейсы могут усовершенствовать лечение черепно-мозговых травм, паралича, эпилепсии или шизофрении. С другой стороны, такие технологии могут усугубить социальное неравенство и дать корпорациям, хакерам, правительствам новые способы эксплуатации и манипулирования людьми. И в целом это может изменить особенности человека, его психику, деятельность как индивида, понимание людей как физиологических существ.

Что читать и смотреть, чтобы больше знать про нейроинтерфейсы:

«Экзокортекс: вызов кибернетики XXI века» (Вашингтонский университет)

Проект BNCI Horizon 2020, посвященный нейроинтерфейсам

Проект «Человеческий мозг»

Сайт российского проекта «Нейрочат»

Лекция основателя Openwater Мэри Лу Джепсен «Захват нашего воображения: эволюция нейроинтерфейса»

«Neuralink и волшебное будущее мозга»

Александр Каплан: «Адаптация интерфейса мозг–компьютер на волне P300 для игр»

Александр Каплан: «Нейрокомпьютерный симбиоз: движение силой мысли»

Исследование «Мозг 2025: научное видение»

«Четыре этических приоритета для нейротехнологий и Искусственного интеллекта»

Сайт международной ежегодной премии BCI-Research — одной из главных наград в области исследования нейроинтерфейсов