Все любители фантастических фильмов знают, что такое киборг. И уж конечно, помнят, что обычно эти существа выступают отнюдь не на стороне человечества. Но сегодня они встречаются не только в фантастике. Страшная правда – киборги действительно существуют и живут среди нас. Нестрашная правда – в действительности они не похожи на героев боевиков.
Понятие «киборг» – сокращение от «кибернетический организм» – придумал специалист по космической медицине Манфред Клайнс. Согласно определению, киборг – это биологический организм, содержащий механические или электронные компоненты. Выходит, человеку достаточно иметь искусственный стимулятор сердца, чтобы его можно было считать киборгом.
Однако искусственные заменители внутренних органов кое-как стали нам привычны. По крайней мере, они недоступны нашему глазу и могут себя обнаружить лишь при попытке пройти через рамку металлодетектора. Куда интереснее и разнообразнее творения, для создания которых использовали нейротехнологии – то есть технологии, созданные на основе принципов функционирования нервной системы. Благодаря им в мире стало больше киборгов. И больше тех, кто живет счастливо, несмотря на тяжелые заболевания и травмы – а это гораздо важнее.
Соединить мозг с компьютером
Сегодня люди заменяют утерянные конечности искусственными, а также с помощью хитроумных приборов возвращают зрение и слух. Технологии, по которым работают все эти устройства, похожи на волшебство, однако в их основе лежат принципы работы нашего мозга. Нейроустройства улавливают электрические импульсы, которые посылает наш мозг, когда хочет выполнить какое-либо действие, и преобразуют их в команды. Грубо говоря, они читают мысли. Хотя понять, о чем именно мы думаем, технике пока не удастся. Ни одно устройство не сможет прочитать в ваших мозгах мысли о мандаринах, дружбе или квантовой физике. А вот «двигательные» намерения, хоть порой и с ошибками, увидеть можно.
Когда человек хочет сделать некое движение, его мозг посылает электрический импульс. Этот сигнал идет по нервным волокнам и поступает в мышцы. Готово – рука поднимается, тянется к полке и берет самое румяное яблоко. Или нажимает клавишу компьютерной мышки и проходит по интересующей ссылке.
Такие импульсы от мозга можно уловить с помощью электродов, переправить на компьютер и расшифровать. Это похоже на знакомую всем электрокардиограмму. Во время знакомого многим исследования специальные датчики записывают сигналы, возникающие во время сокращения сердца, и изображают их в виде графика, который затем интерпретирует компьютер или врач. По аналогичному принципу работают и нейроустройства. Однако они не просто записывают и расшифровывают мысли, но и могут передать их в виде команды на прибор, который выполнит желаемое действие. В научной среде это устройство получило название «нейроинтерфейс мозг-компьютер».
Интерфейс – это совокупность средств, при помощи которых человек взаимодействует с устройством. Для пользователя, сидящего за компьютером, интерфейсом будет клавиатура, мышка и содержимое рабочего стола, посредством которых человек дает компьютеру команды запустить программу, войти в игру или начать просмотр фильма. В свою очередь, нейроинтерфейс – это система, позволяющая человеческому мозгу взаимодействовать с компьютером или другим присоединенным устройством.
Чтобы уловить импульсы, посылаемые мозгом, используют специальные электроды. Перехватить электрический импульс можно на всем его пути следования, начиная от мозга и заканчивая мышцами, в которые тот импульс и подавался. Однако, как и в стареньком приемнике, трансляцию могут прерывать помехи.
Помехи являются одной из основных проблем, с которой предстоит разобраться специалистам по нейронаукам. Сегодня используют два типа нейроинтерфейсов: инвазивные (то есть вживленные) и неинвазивные. В первом случае проводят операцию и устанавливают электроды непосредственно в мозг. Это позволяет избежать помех, но человеку приходится подвергнуться опасной операции, вред от которой может превышать пользу. Инвазивные интерфейсы используют лишь в самых тяжелых случаях. Например, когда человек полностью парализован, вживленные электроды становятся для него единственной возможностью связаться с внешним миром.
Куда чаще используют второй тип – неинвазивные интерфейсы. С их помощью сигналы считываются с поверхности головы или мышц. Выбор зависит от состояния человека и его потребностей, которые должны удовлетворить нейротехнологии.
Как видеть языком
Кузнечики слышат ногами – этот забавный факт обычно вызывает удивление и недоверие у человека, которому впервые рассказывают о такой особенности насекомого. Действительно, органы слуха у кузнечиков расположены на передних ногах. Однако люди способны удивить еще сильнее, чем насекомые. Ведь некоторые представители человечества видят языком.
Конечно, способность эта не врожденная – смотреть глазами гораздо удобнее, – но если природа или трагическая случайность привела к невозможности воспринимать мир специально предназначенным для этого органом, в дело вступают специалисты по нейротехнологиям со своими удивительными разработками.
Еще в 60-е годы прошлого века невролог Пол Бак-и-Рита заявил, что мы смотрим не глазами, а мозгом. Именно наш головной мозг обрабатывает информацию и выносит вердикт, что мы видим. Если с мозгом что-то не в порядке, глаза не убедят его. Например, человек, страдающий синдромом Капрга, будет считать, что его родственника или даже домашнее животное подменили двойником. Проблема в том, что несмотря на то, кого видит больной (например, своего ребенка), в мозгу не образуется положенного эмоционального отклика. Человек, страдающий этим синдромом, не чувствует ни радости, ни любви, ни прилива нежности, и полагает, что проблема в том, что вместо ребенка в дом явился двойник. Зрение больного прекрасно работает, а вот мозг – нет.
Но если главный орган зрения – мозг, какая разница, откуда он будет получать информацию. Неврологи из штата Висконсин, вооружившись этим предположением, разработали устройство под названием Brain Port. Оно позволяет слабовидящим людям и тем, кто полностью утратил зрение, видеть языком. Хитроумный прибор состоит из очков с камерой, процессора размером с мобильный телефон и «леденца» – массива электродов, который кладут на язык. Камера фиксирует происходящее вокруг, и картинка отправляется на процессор. Он при необходимости увеличивает изображение, регулирует его яркость, а также кодирует цифровые сигналы в электрические импульсы. То есть выполняет роль сетчатки, которая по каким-то причинам не работает.
Получившиеся сигналы процессор отправляет на «леденец», который в это время владелец устройства держит во рту. У нас на языке находится множество рецепторов, регистрирующих все нюансы вкуса пищи, которая попадает нам в рот. Эти же рецепторы способны воспринять и электрические импульсы. Владельцы Brain Port говорят, что ощущения от процесса схожи с пощипыванием на языке от пузырьков шампанского.
Дальнейший путь электрических сигналов пока не ясен окончательно. Но они поступают в головной мозг (ведутся споры, в какую именно область) и расшифровываются. Незрячие люди начинают воспринимать пространственную информацию. Пациенты, вооруженные устройством, могут ориентироваться в помещении и на улице, брать нужные им предметы и даже читать обычные книги.
Кстати, ученые нашли возможность при помощи нейротехнологий помочь и тем, кто страдает от нарушений слуха, когда оказались бессильны слуховые аппараты и другие приборы, увеличивающие громкость. К примеру, когда погибает большое количество волосков клеток, преобразующих звуковые сигналы в нервные импульсы, человек попросту теряет способность понимать речь, так как звуки не становятся сигналами, распознаваемыми для мозга. Кохлеарные импланты позволяют разрешить проблему: снаружи (например, к волосам) прикрепляют микрофон, микропроцессор и передатчик, а во время операции вживляют приемник, устройство, расшифровывающее звуковые сигналы, и электроды. После установки импланта информация, минуя пораженную область, расшифровывается и поступает в нужном виде прямиком в мозг.
Наперекор Дарту Вейдеру
Люди, смотревшие «Звездные войны», наверняка помнят момент, когда Люк Скайуокер в битве с Дартом Вейдером теряет руку. Впрочем, это оказалось не самой большой проблемой джедая: на борту медицинского фрегата он получил протез, который по своим функциям ни в чем не уступал потерянной конечности.
К счастью, эта фантастическая технология не осталась лишь на экране. Биопротезирование существует и в реальном мире. Пока что искусственные руки не могут похвастаться той же ловкостью, что и человеческие, но бионические протезы, существующие сегодня, уже значительно облегчают жизнь людям, утратившим конечности.
После ампутации сигналы от мозга пытаются проделать тот же путь, что и ранее, даже если он ведет в никуда. Это и используют ученые при создании умных протезов: они перехватывают сигнал и заставляют нейроустройства выполнять команды вместо утерянной конечности.
Большинство роботизированных рук и ног считывают сигналы непосредственно с мышц. Чем больше электродов установлено, тем чище будет сигнал, и тем лучше устройство будет понимать команды. Современные умные конечности позволяют своим владельцам аккуратно разбивать яйца, чтобы вылить их содержимое в миску и приготовить омлет, завязывать шнурки, пользоваться компьютерной мышкой – в общем, выполнять все те действия, которые ежедневно совершает любой человек. Конечно, владельцу пусть и умного, но все же железного протеза приходится быть осмотрительнее, нежели обычному человеку. Ведь с помощью бионической руки можно обменяться рукопожатием с приятелем, а можно и переломать ему пальцы, состоящие из хрупких костей и плоти. Прежде чем совершить движение, необходимо сконцентрироваться на предстоящем действии, чтобы не переборщить.
Однако наши руки – это не просто приспособления, при помощи которых мы переносим предметы с места на место. На наших пальцах находятся сотни сенсоров, основная функция которых – это осязание. Мы можем провести по коже любимого человека или зарыться пальцами в траву. Эти действия не несут практического значения, но дарят нам эмоции, которые делают жизнь насыщенной. И уже сегодня ученые разрабатывают протезы рук, способные осязать. На кончиках пальцев, ладонях и запястьях устройств находятся специальные сенсоры для передачи тактильной информации мозгу. Пока что возможности таких датчиков далеки от совершенства, да и в продажу они еще не поступили, но хочется верить, что их доработка – вопрос лишь времени.
Человек с бионическим протезом совсем не обязательно выглядит киборгом. Сегодня выпускают устройства, покрытые силиконом, который и на вид, и на ощупь похож на настоящую кожу. Впрочем, многие люди не стремятся скрывать модернизацию. Есть компании, которые предлагают установить вместо ампутированной конечности настоящие дизайнерские шедевры, украшенные замысловатыми узорами, или стилизованные под костюмы супергероев. Человек с таким протезом вызывает никак не жалость, но неподдельный интерес.
Ребенок войны
Ампутированную руку или ногу можно заменить искусственной, но что делать парализованным людям? Разумеется, взять новый опорно-двигательный аппарат, если не работает свой.
Изначально экзоскелет – внешний каркас, надеваемый на человека, разрабатывали для солдат. Этот каркас, словно броня, защищал своего владельца и повышал его выносливость: солдат, облаченный в такой доспех, может преодолеть огромное расстояние и перенести больший груз – до 300 кг.
К счастью, из военной отрасли экзоскелеты шагнули и в более мирные сферы. Их используют спасатели, разбирающие завалы. Умные доспехи помогают поднимать и перемещать обломки в поисках пострадавших и при этом защищают людей от обвалов. В медицине экзоскелеты применяют для реабилитации пациентов, перенесших, к примеру, инсульт. А для некоторых людей с серьезными нарушениями опорно-двигательного аппарата такие устройства – единственная возможность встать и идти.
Существуют экзоскелеты с различным управлением. Некоторые устройства реагируют на голос: человек, заключенный в металлический каркас, велит устройству поднять руку или ногу, и доспех подчиняется. Другими экзоскелетами можно руководить силой мысли: устройство, как и роботизированная рука, может преобразовать электрические импульсы в команду и исполнить ее. Однако управлять целым внешним роботизированным скелетом сложнее, чем отдельной конечностью. Рассинхронизация между движением настоящей и металлической ноги может привести к увечьям. Кроме того, люди совершают массу непроизвольных движений – икают, кашляют, чихают. Задача инженеров – сделать так, чтобы умный и опасный костюм умел отличать подобные «мелочи» от реальных намерений.
Соревнования киборгов
Все наслышаны о Паралимпийских играх – соревнованиях для людей с ограниченными возможностями, которые проводятся традиционно после Олимпийских игр с использованием тех же спортивных объектов. Паралимпийцы – это не просто люди в отличной физической форме, они являют собой образец непоколебимой силы духа и стремления к победе.
В 2016 году впервые прошел Сайбатлон – соревнования для людей с бионическими протезами, организованные Швейцарской высшей технической школой Цюриха. Своим появлением они обязаны Роберту Ринеру, одному из профессоров этого высшего учебного заведения. Однажды профессор познакомился с человеком, у которого был протез руки. Собеседник поведал ему историю о том, как, стоя в очереди в кинотеатре, попытался быстро добраться до кошелька, который лежал в кармане. Ему никак не удавалось это сделать, а протез еще и шумел, чем окончательно смутил своего владельца.
Казалось бы, это мелочь, но способная надолго испортить настроение. Профессор Ринер понял, что, несмотря на все чудесные возможности бионических протезов, многие вещи нуждаются в доработке.
В отличие от Паралимпиады, отвечающей на вопрос «кто быстрее и сильнее», главный вопрос этого соревнования – чей протез круче? «Виды спорта», в которых соревнуются участники, не похожи на традиционные. Никакого бега и гимнастики – киберолимпийцы состязаются в том, кто лучше нарежет хлеб, быстрее поднимется по лестнице, а также устраивают гонки на инвалидных колясках. В соревнованиях участвуют крупнейшие компании. Каждая из них стремится представить наиболее высокотехнологичное устройство. Кто-то улучшает систему считывания электрических импульсов. Кто-то – «учит» инвалидную коляску спускаться и подниматься по ступенькам.
Как и настоящую Олимпиаду, Сайбатлон планируют проводить раз в 4 года. В следующий раз спортсменов-киборгов, вероятно, примет Великобритания. Россия также планирует организовать аналогичные соревнования, на которых спортсмены со всего мира смогут померяться не только силами, но и высокими технологиями, но уже раз в 2 года. Хочется верить, что дух соревнований подстегнет нейротехнологии к дальнейшему движению вперед.
Компьютер как единственное средство связи
Парализованные люди, вынужденные передвигаться с помощью экзоскелета, – далеко не самые сложные «клиенты» специалистов по нейротехнологиям. Сегодня можно помочь даже тем больным, которые оказались буквально заперты в своем теле и не имеют возможности не только двигаться, но и общаться со своими близкими. Ученые разрабатывают устройства, благодаря которым полностью парализованные больные, лишенные возможности говорить, могли бы силой мысли управлять своим креслом или кроватью (опускать или поднимать изголовье, поворачиваться в кресле к окну и т. д.), пультами от домашних устройств вроде телевизора, кондиционера, музыкального центра, и даже компьютером.
Клавиатуры, на которых можно набирать текст силой мысли, сегодня уже не редкость. Человек может управлять виртуальной клавиатурой с помощью взгляда, наклона головы, подмигивания – действий, которые ему доступны. Конечно, скорость печати на таких устройствах гораздо ниже, чем та, что мы можем развить, стуча по клавишам пальцами. Случаются и ошибки, но их около 5%. Пожалуй, многие здоровые люди допускают столько же опечаток в своих письмах.
Впрочем, ученые не собираются останавливаться на достигнутом и намерены расширить возможности людей, чью свободу передвижений и общения ограничила болезнь или травма. Например, разработать доступный для всех нуждающихся полноценный компьютер, которым можно было бы управлять силой мысли. Чтобы пройти по ссылке, на ней нужно будет задержать взгляд и дать мысленную команду. Такая двойная система защитит от возможных ошибок, ведь люди не всегда контролируют, на что они смотрят. Если проект окажется успешным, парализованные люди смогут беспрепятственно пользоваться Интернетом, переписываться в социальных сетях, играть в компьютерные игры, и программы не будут закрываться в самый неподходящий момент только потому, что пользователь взглянул не на ту иконку.
Кресло профессора Хокинга
Пожалуй, одним из самых известных людей, которому нейротехнологии оказали неоценимую помощь, является английский физик, популяризатор науки, автор нескольких научно-популярных книг профессор Стивен Хокинг.
Уже в 60-х годах прошлого столетия у Стивена, которому на тот момент был всего 21 год, начали появляться первые симптомы бокового амиотрофического склероза. Это неизлечимое заболевание поражает центральную нервную систему и приводит к параличу и атрофии мышц, в том числе и дыхательных. В 1963-м врачи полагали, что Хокингу осталось жить чуть больше двух лет.
Однако болезнь щадила физика. Она прогрессировала гораздо медленнее, чем можно было ожидать. Хокинг начал пользоваться инвалидной коляской только к концу 60-х. Но в 1985 году ученый подхватил воспаление легких. Заболевание протекало тяжело, было проведено несколько операций, и врачи также были вынуждены сделать Хокингу трахеостомию (рассечь переднюю стенку трахеи и ввести в трахею полую трубку), после которой физик утратил возможность говорить. Могучий ум оказался заперт в слабом теле.
К счастью, многие компании-производители высокотехнологичных устройств вызвались помочь знаменитому ученому. Сегодня у Стивена Хокинга есть кресло, которое может по желанию профессора прокладывать маршруты, предупреждать о находящихся вблизи пандусах и других приспособлениях, которые облегчат путь, измеряет температуру и давление своего владельца. К креслу прикреплен экран компьютера, а к очкам самого профессора – небольшая камера, следящая за тем, куда он смотрит. Чтобы напечатать слово или отдельную букву либо пройти по ссылке, Хокинг должен сосредоточиться на интересующей его иконке, и компьютер выполнит нужное действие. Таким образом ученый пишет статьи и разговаривает – взглядом набирает текст, который затем озвучивается его знаменитым металлическим голосом.
Профессор Хокинг, который, вопреки прогнозам врачей, уже отпраздновал 70-летний юбилей, утверждает, что, раз медицина не смогла его вылечить, остается полагаться на технологии. К счастью, они его не подводят. А с развитием и удешевлением нейроустройств то же самое смогут сказать тысячи людей, которым умные протезы смогут вернуть утраченные возможности.
