Новая исследовательская программа DARPA разрабатывает интерфейс мозг-компьютер, с помощью которого можно будет «контролировать рои дронов, работая со скоростью мысли». Что, если это получится сделать?
В августе три аспиранта из университета Карнеги-Меллон набились в крохотную подвальную лабораторную комнату без окон, чтобы, используя импровизированную установку, собранную из корпуса 3D-принтера, бить током ломтик мышиного мозга.
Этот кусочек мозга, вырезанный из гиппокампа, был похож на тонкий ломтик чеснока. Он покоился на платформе, расположенной ближе к центру устройства. Тоненькая трубочка омывала ломтик раствором соли, глюкозы и аминокислот. Таким образом он поддерживался в состоянии, чем-то похожим на живое: нейроны внутри него продолжали активироваться, позволяя экспериментаторам собирать данные. Массив расположенных снизу электродов выдавал электрические разряды, а металлический зонд, похожий на шприц, измерял реакцию нейронов. Яркие светодиодные лампы освещали чашку. Всё это выглядело собранным на коленке.
На мониторе рядом с устройством было видно стимулы и ответную реакцию: через несколько миллисекунд после электрических импульсов нейроны активировались. Позднее экспериментаторы положат материал, по проводимости и прозрачности похожий на кости черепа, между кусочком ткани и электродами, чтобы узнать, смогут ли они стимулировать мышиный гиппокамп через имитацию черепа.
Занимались они этим, поскольку захотели распознавать и управлять сигналами человеческого мозга без необходимости разрезать череп и прикасаться к нежной мозговой ткани. Их цель – разработать точные и чувствительные интерфейсы мозг-компьютер, которые можно будет снимать и надевать как шлем или повязку на голову – без всякой хирургии.
Толщина костей черепа человека меньше сантиметра. Точные цифры варьируются от человека к человеку, а также от одного места к другому. Они размывают волновые сигналы, будь то электрический ток, свет или звук. Нейроны мозга могут иметь размер всего несколько тысячных долей миллиметра, и генерировать электрические импульсы напряжением в двадцатые доли вольта.
В экспериментах аспирантов предполагалось собрать базовые данные, которые можно было бы сравнить с результатами применения новой технологии, которую надеется разработать Пулкит Гровер, главный научный консультант команды.
«Пока что такое проделать невозможно, и это очень сложная задача», — говорит Гровер. Он руководит одной из шести команд, принимающих участие в нейротехнологической нехирургической программе следующего поколения [Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program], или N3 — проекта стоимостью $104 млн, запущенном в этом году агентством DARPA. Команда Гровера работает с электричеством и ультразвуком, другие команды используют магниты или оптику. И если кто-то из них достигнет успеха, результаты будут революционными.
Хирургия – занятие дорогое, а хирургическое вмешательство с целью создания суперсолдата – ещё и этически сложное. Устройство для чтения мыслей, не требующее хирургического вмешательства, откроет огромное количество возможностей. Нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) использовались для того, чтобы вернуть парализованным людям частичный контроль над телом, и позволить ветеранам войн в Ираке и Афганистане, потерявшим конечности, управлять искусственными. N3 — первая серьёзная попытка военных США разработать НКИ для более агрессивного применения. «Работа с отдельными дронами и их стаями, на скорости мысли, а не со скоростью механических устройств – вот для чего на самом деле нужны эти устройства», — говорит Эл Эмонди, директор программы N3.
Специалист по информатике из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Жак Дж. Видал, впервые использовал термин «интерфейс мозг-компьютер» ещё в начале 1970-х; и это оказалась одна из тех фраз, вроде «искусственного интеллекта», чьё определение эволюционирует параллельно с развитием описываемых ею возможностей. Электроэнцефалографию (ЭЭГ), записывающую активность мозга при помощи электродов, размещаемых на черепе, можно считать первым интерфейсом между мозгом и компьютером. К концу 1990-х исследователи из Кейсовского университета Западного резервного района использовали ЭЭГ для интерпретации мозговых волн парализованного человека, что позволило ему передвигать курсор на компьютере при помощи электродов, подсоединённых к его черепу.
С тех пор технологии чтения сигналов из мозга обоих видов, как инвазивные, так и неинвазивные, активно развиваются. Развиваются и устройства, стимулирующие мозг при помощи электрических сигналов для лечения таких заболеваний, как эпилепсия. Самый мощный механизм на сегодняшний день – это микроэлектродный массив, известный, как «массив Юта». Он похож на крохотную постель с гвоздями размером в половину ногтя на мизинце, способную проникать в заданную часть мозга.
Однажды, в 2010-м году, находясь в отпуске на Внешних отмелях — полосе узких песчаных барьерных островов побережья Северной Каролины – Йен Бёркхарт нырнул в океан и ударился головой о песчаную отмель. Он повредил свой спинной мозг и лишился функций от шестого шейного нерва и ниже. Он мог двигать плечами и локтями, но не кистями рук и не ногами. Физиотерапия не сильно помогла. Он спросил докторов из Медицинского центра Векснера при Университете Огайо, могут ли они ещё что-либо сделать. Оказалось, что Векснер хотел проводить исследование совместно с некоммерческой исследовательской компанией Battelle, чтобы узнать, нельзя ли вернуть подвижность конечностям паралитика при помощи массива Юта.
Если ЭЭГ показывает общую активность бесчисленного количества нейронов, то массивы Юта могут записывать импульсы, идущие от небольшого их количества, или даже от одного нейрона. В 2014 году доктора имплантировали массив Юта в голову Бёркхарта. Массив измерял электрическое поле в 96 точках его моторной коры 30 000 раз в секунду. Бёркхарт больше года посещал лабораторию по нескольку раз в неделю, а исследователи из Battelle обучали алгоритмы обработки сигналов воспринимать его намерения, пока он систематически и напряжённо думал о том, как ему хочется пошевелить рукой.
Толстый кабель, соединённый с площадкой на черепе Бёркхарта, отправлял импульсы, измеренные массивом Юта, в компьютер. Компьютер расшифровывал их и передавал сигналы на рукав, заполненный электродами и покрывавший его правое предплечье. Рукав активировал его мускулы для осуществления желаемого движения – захвата, поднятия груза, опустошения бутылки или вынимания карточки из кошелька.
Это сделало Бёркхарта одним из первых людей, вернувших себе контроль над мускулами при помощи «нейронного обхода». Теперь Battelle, также участвующая в программе N3, работает с ним, пытаясь узнать, можно ли достичь тех же результатов без имплантатов в черепе.
Вопрос не только в создании новых устройств, но и в разработке техник обработки сигналов лучшего качества, способных распознавать слабые, приглушённые сигналы, воспринимаемые с наружной части черепа. Поэтому команда из Карнеги-Меллон работает под руководством Гровера – инженера-электротехника, а не нейробиолога.
Вскоре после прибытия Гровера в институт Карнеги-Меллона его друг из медицинской школы при Питсбургском университете пригласил его принять участие в клинических встречах с больными эпилепсией. Он начал подозревать, что из ЭЭГ можно извлечь гораздо больше информации, чем все считали ранее – и, следовательно, хитроумные манипуляции внешними сигналами могут повлиять на глубинные слои мозга. Через несколько лет команда под руководством Эдварда Бойдена из Центра нейробиологических инженерных наук при MIT опубликовала примечательную статью, выходящую далеко за рамки первоначального предположения Гровера.
Группа Бойдена применяла два электрических сигнала высоких, но немного отличающихся частот, к внешней части черепа. Они влияли на работу нейронов, но не тех, что расположены на поверхности мозга, а тех, что располагались глубже. В рамках явления под названием конструктивная интерференция они получали сигнал меньшей частоты, стимулировавший активацию нейронов.
Гровер со своей группой теперь работают над расширением результатов Бойдена, используя сотни электродов, расположенных на поверхности черепа, чтобы точно нацеливаться на небольшие участки внутренних регионов мозга и управлять сигналом, переключая его с одного участка мозга на другой, не двигая электроды. Гровер говорит, что подобная идея вряд ли пришла бы в голову нейробиологам.
Тем временем в Лаборатории прикладной физики при университете Джонса Хопкинса (APL) ещё одна команда из проекта N3 использует совершенно другой подход: близкий к инфракрасному свет.
По современным представлениям, нервная ткань разбухает и сокращается, когда нейроны выдают электрические сигналы. Эти сигналы учёные и записывают при помощи ЭЭГ, массива Юта или других технологий. Дейв Блоджет из APL утверждает, что разбухание и сокращение ткани может быть не худшим по качеству сигналом, и хочет создать оптическую систему, измеряющую эти изменения.
Прошлые технологии не могли фиксировать такие крохотные физические движения. Но Блоджет с командой уже показали, что способны регистрировать нервную активность мыши, когда она двигает одним из усиков. Через десять миллисекунд после движения усика Блоджет записал активацию соответствующих нейронов при помощи своей оптической технологии. А в обнажённой нервной ткани его команда записывала активность нейронов за 10 микросекунд – с такой же скоростью, что и массив Юта или другие электрические методы.
Следующей задачей, которую предстоит решить, станет ведение записи сквозь кости черепа. Звучит, как нечто невозможное: ведь череп непрозрачен для видимого света. Однако свет, близкий к инфракрасному, может проходить через кости. Команда Блоджета просвечивает череп инфракрасными лазерами низкой энергии, и измеряет рассеяние света от этих лазеров. Он надеется, что из этого можно будет извлечь информацию об активности нейронов. Этот подход имеет меньше доказательств, чем использование электрических сигналов, однако именно на подобные риски и рассчитаны программы DARPA.
В Battelle Гаурав Шарма разрабатывает новый тип наночастиц, способных проникать через гемато-энцефалический барьер. Эту технологию в DARPA называют минимально инвазивной. У наночастиц чувствительное к магнитным полям ядро окружено оболочкой из материала, генерирующего электричество при давлении. Если поместить эти наночастицы в магнитное поле, то ядро частицы будет давить на оболочку, которая будет выдавать небольшой ток. Магнитное поле гораздо лучше подходит для «просвечивания» черепа, чем свет, говорит Шарма. Разные магнитные катушки позволяют учёным нацеливаться на определённые части мозга, и этот процесс можно обратить вспять – преобразовывать электрические токи в магнитные поля, считывая сигнал.
Пока неизвестно, какой из этих подходов достигнет успеха, и достигнет ли. Другие команды из N3 используют различные комбинации из световых, электрических, магнитных и ультразвуковых волн для передачи сигналов в мозг и чтения их снаружи. Всё это, без сомнения, очень интересно. Однако за всеми этими восторгами не стоит забывать, как плохо обстоит дело в Пентагоне и в таких корпорациях, как Facebook (которая тоже разрабатывает НКИ), с огромным количеством этических, юридических и социальных вопросов, которые поднимает неинвазивный НКИ. Как стаи дронов, управляемые мозгом человека, изменят природу войн? Эмонди, глава N3, говорит, что НКИ будут использоваться по необходимости. Однако военная необходимость – понятие растяжимое.
В августе я побывал в лаборатории в Battelle, где Бёркхарт несколько часов работал с новым рукавом, оснащённым 150 электродами, стимулирующими мускулы руки. Он и исследователи надеялись, что могут заставить рукав работать, не полагаясь на регистрацию сигналов мозга массивом Юта.
Йен Бёркхарт и исследователь
Массив Юта
При повреждении спинного мозга очень тяжело думать о движении рук. Бёркхарт был уставшим. «Работает всё ступенчато – чем активнее я думаю, тем сильнее получается движение, — сказал он мне. – Раньше мне не нужно было думать „раскрой руку“ – я просто брал и поднимал бутылку. Но я очень мотивирован на результат – больше, чем все остальные присутствующие». Благодаря ему легко видеть потенциал данной технологии.
Он сказал, что с момента начала работы с массивом Юта, он стал более сильным и ловким, даже в те периоды, когда его не использует. Он уже может жить почти самостоятельно, и помощь ему требуется всего несколько часов в день. «Я могу больше разговаривать при помощи рук. Я могу держать телефон, — говорит он. – Если этот проект выльется в нечто, что можно будет использовать ежедневно, я буду носить его так долго, как смогу».
