Достигать чего-либо силой мысли, передавать свои помыслы другому человеку – одно из самых древних заветных мечтаний человечества. И хотя, несмотря на многочисленные эксперименты и исследования, феномен телепатии до сих пор является недоказанным, эти фантастические грезы не так уж далеки от воплощения в жизнь. Мы находимся на пороге эпохи, когда нейроуправление (управление с помощью мысли, минуя движения тела) становится реальностью и, возможно, вскоре даже заменит традиционное механическое во многих областях. Как же это происходит и какие преимущества сулит нам такая необычная технология?
Как увидеть мысли?
То, что наши мысли действительно материальны, убедительно доказал еще в 1849 году немецкий физиолог Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон. Его исследования и опыты показали, что все процессы в мозгу имеют электрическую природу. Эту теорию подтвердил в 1875 году английский врач Ричард Кэтон, а русский ученый Иван Михайлович Сеченов установил ритмичность этих процессов. Тогда окончательно стало понятно: все сигналы головного мозга – это не что иное, как набор электрических импульсов. Дело оставалось за малым – научиться их распознавать, записывать и расшифровывать. Первый шаг в этом направлении сделал российский физиолог Владимир Владимирович Правдич-Неминский. В 1913 году он сумел с помощью струнного гальванометра увидеть и записать изменения электрического поля мозга собаки. А в 1928-м немецкому ученому Гансу Бергеру удалось получить и запись импульсов человеческого мозга, которые он предложил называть «электроэнцефалограммой».
Так был получен надежный инструмент для исследования. В течение всего XX века им пользовалось множество ученых, все более совершенствуя методы снятия показаний работы мозга. Одиночные электроды и их группы «прикладывались» к определенным зонам открытого мозга во время операций или вживлялись на длительное время. Снимались показатели с одеваемых на голову шлемов. Искалась закономерности между показаниями приборов и различными мыслительными процессами и действиями человека. Но природа долго не хотела раскрывать своих тайн – не то что расшифровать отдельные мысли, но даже достоверно понять, какие именно мозговые процессы отвечают за каждое действие или реакцию, не получалось. Человеческий мозг оказался намного сложнее, чем это представлялось ученым.
До определенного момента ученые были уверены: мозг – обычный орган, неизменный, как и все остальные. Каждый нейрон – клетка мозга – выполняет одну конкретную функцию, роль его в организме постоянна, так же, как и связь с другими клетками (фактически как в современном микропроцессоре, где вычислительные ячейки и ячейки памяти жестко связаны друг с другом, но разделены по функциям). Но простой анализ наблюдений, сделанный в 90-х годах прошлого века исследовательской группой Института Дюка в Северной Каролине (США) под руководством профессора Мигеля Николелиса, показал: на самом деле все наоборот. Каждая клетка головного мозга может выполнять совершенно разные функции (причем, даже одновременно), входит в несколько различных нейронных цепей и способна связываться с любыми другими нейронами в зависимости от задач. А это означает, что мозг меняется каждые доли секунды, реагируя на внешние раздражители, приспосабливаясь к новым условиям жизни, которые также меняются постоянно – и от малейшего воздействия на органы чувств, и даже от самого незначительного мыслительного процесса.
От мозга к компьютеру
Понять все это Мигелю Николелису помогли современные технологии. Ему удалось сделать блок из 48 микроскопических электродов, которые его группа и вживила в мозг лабораторной крысы. Животное поместили в клетку, оборудованную особым устройством: для того чтобы получить доступ к воде, крысе приходилось нажимать кнопку. Долгое время мощный компьютер анализировал сигналы, поступавшие от электродов, пока не была установлена закономерность – какие именно клетки возбуждаются, когда крыса собирается нажать на кнопку. Потом группа исследователей перешла к следующей фазе эксперимента: поилку подключили непосредственно к компьютеру, а кнопку оставили, но отключили ее от управления. Результат превзошел все самые смелые ожидания. Поилка замечательно срабатывала от прямого сигнала мозга. Мало того, сама крыса быстро сообразила: для получения воды кнопку нажимать совершенно не обязательно. Получилось это совершенно случайно – оказалось, что команда через компьютер проходила гораздо быстрее, чем животное совершало мышечное движение, и поилка срабатывала еще до нажатия. В результате животное научилась управлять ею, просто подумав о действии, и перестало даже трогать фальшивую кнопку!
Когда в экспериментах с крысами все получилось настолько хорошо, ученые перешли к опытам на обезьянах. Принцип был тот же самый – пучок электродов (на этот раз целых 128 штук, причем каждый толщиной всего в половину человеческого волоса) вживлялся в мозг и мощный компьютер анализировал сигналы, получаемые от него при выполнении обезьяной тех или иных действий.
Обучение происходило по тому же самому принципу, с учетом, разумеется, гораздо большей сообразительности подопытных животных. Вначале обезьяны освоили управление с помощью обычного джойстика – при наведении курсора на кружок на экране они получали порцию сока. А потом, точно так же как в эксперименте с крысами, управление было передано компьютеру, который принимал расшифрованный сигнал от электродов.
И снова удача! Подопытные быстро освоили управление просто мыслью и со временем научились получать сок, даже не прикасаясь к джойстику! А ведь наведение курсора на круг – задача гораздо более сложная, чем простое нажатие на кнопку.
В ходе всех этих экспериментов была доказана фантастическая обучаемость и изменчивость мозга. Буквально пары дней было достаточно, чтобы обезьяны освоили управление. И даже когда курсор и экран заменили на роботизированную руку, овладение новой «частью тела» не вызвало никаких проблем. Мало того, в ходе эксперимента ученые не раз меняли управляющие команды робота (например, сигнал «вверх» начинал двигать руку вниз, а сигнал «направо» – налево). Но мозг великолепно справлялся и с такой нетривиальной задачей, довольно быстро подстраиваясь под новые обстоятельства.
Изучая и анализируя огромное количество данных, полученных непосредственно из мозга обезьян в ходе экспериментов, ученые установили и еще один необычный факт. Дело в том, что, судя по нейроимпульсам, подопытные воспринимали механическую конечность не как замену собственным рукам, а как дополнительную часть тела. Многие из них научились управлять манипулятором независимо от движений «биологическими» руками. То есть мозг расширял свои функции, выделяя определенные зоны для нового «органа».
Ну, а раз получилось у обезьяны – значит, человек тем более должен справиться. Первым успешным испытателем стал художник и музыкант Джонни Рэй, полностью парализованный в результате травмы. В 1998 году ему в мозг имплантировали микроэлектрод, который подключили к компьютеру. Обучение управлением было точно таким же, как и для обезьян в Институте Дюка: Рэй просто думал о движениях, а сложная вычислительная система анализировала поступающие электрические импульсы и переводила их в команды, передвигающие курсор по экрану. Это был настоящий прорыв – буквально запертый внутри себя человек вновь получил возможность общаться с окружающим миром. Этого элементарного управления уже оказалось вполне достаточно, чтобы он смог набирать сообщения и даже генерировать музыкальные сигналы.
Вдохновленные успехом ученые продолжили разработки. Уже в 2005 году был поставлен первый опыт по использованию роботизированной руки полностью парализованным человеком. Исследовательская группа Лея Хохберга вживила 96 контактных электродов в мозг Мэтта Нэгла, дав ему возможность не только управлять манипулятором, но и включать и выключать свет в комнате, переключать каналы телевизора и даже играть в компьютерные игры!
А в 2011 году и медицинская школа Питтсбурга опубликовала свой отчет об успешном испытании полноценного роботизированного протеза полностью парализованным Тимом Хеммесом. Электроды, помещенные непосредственно на ту зону мозга, которая отвечает за движения, позволили Тиму, который после аварии мог контролировать только свою голову, силой мысли управлять довольно сложным многофункциональным устройством.
Что касается надежности таких технологий, то пример применения микросхемы Brain Gate, разработанный американской компанией Cyberkinetics, весьма показателен. Первые чипы – размером с горошину и содержащие более 100 контактов – были вживлены пациентам в ходе испытаний еще в 2009 году. И все они до сих пор работают! Правда, эти модели позволяли только осуществлять связь с компьютером – передвигать курсор, печатать и тому подобное. Зато более новые уже обеспечивают полноценную работу настоящих роботизированных протезов, управляемых только силой мысли. А ведь срок службы многих из этих имплантатов более трех и даже пяти лет – так что в надежности сомневаться не приходится. К тому же последние разработки Cyberkinetics еще и избавили пользователя от соединительного кабеля – новые микросхемы работают по беспроводной технологии. Вживленные непосредственно в кору головного мозга электроды соединяются гибким кабелем с крохотной платой, расположенной под кожей головы. Именно она расшифровывает сигнал и инфракрасными импульсами прямо через кожу передает информацию на компьютер. Это делает систему гораздо менее громоздкой и более гигиеничной.
Обратная связь
Вдохновленные столь успешными опытами по передаче сигнала от мозга к компьютеру, ученые решили не останавливаться на достигнутом. Когда первого испытателя нейроинтерфейса Джонни Рэя спросили, что он чувствовал, управляя курсором силой мысли, он ответил «ничего». И это на самом деле серьезная проблема. Ведь когда мы двигаем рукой или ногой, наш мозг не только представляет это действие, но и получает отклик о результате. Исследователи из института Дюка решили и эту проблему – передали сигнал напрямую в мозг, обеспечив устойчивую обратную связь. В эксперименте участвовали все те же обезьяны, обученные мысленно управлять манипулятором. Вот только к уже имевшемуся у них имплантату добавился еще один электрод, вживленный в ту часть мозга, которая отвечает за тактильные ощущения.
В ходе эксперимента животные «ощупывали» манипулятором баночки, и при касании той из них, в которой находился сок, на этот электрод подавался сигнал. Подопытные очень быстро научились реагировать на него и вскоре осуществляли выбор, отдавая команды только мысленно и ориентируясь в выборе не тем, что видят, а передаваемым напрямую в их мозг сигналом от компьютера.
Так что до полноценного нейроуправления осталось только досконально отработать технологию и еще более тщательно изучить работу мозга. Ведь пока что понять, как обезьяна воспринимала внешний импульс, не представляется возможным. Чтобы понять, ощущала она нужную баночку теплой, шершавой или красной и создать управление с обратной связью уже для человека, понадобится еще много экспериментов.
Не обошлось и без экспериментов по передаче мыслей и ощущений между двумя живыми организмами. На сей раз подопытными снова стали крысы, причем сразу две. Одна из них решала уже хорошо знакомую ей задачу по выбору правильной кнопки для получения еды. При этом сигнал с вживленного ей имплантата обрабатывался компьютером и передавался на аналогичный электрод в мозгу второй крысы, решавшей такую же задачу – причем, в отличие от первой, ей правильный вариант был неизвестен. Особенность эксперимента заключалась в том, что вкусный приз доставался обеим, но только тогда, когда они приходили к одинаковому решению. То есть первая крыса мысленно «подсказывала» коллеге нужные действия, и только если та следовала им, обе получали награду. Первое время результаты не выходили за рамки статических погрешностей. Но потом «номер два» начала прислушиваться к «советам» более опытной товарки и уже после 25 серий испытаний более чем в 65% случаев обе крысы действовали синхронно.
Из лаборатории в мир
Использование вживленных электродов дает замечательные результаты и позволяет действительно максимально точно воспроизводить большой набор команд. Однако процедура по их имплантации все-таки связана со многими трудностями. Во-первых, это довольно сложная операция на мозге, которая далеко не всегда возможна. Во-вторых, сращение металлического контакта с нервными клетками – весьма непростая задача. И хотя в ходе экспериментов ученые научились использовать вначале тефлон, а потом и более современные вещества для лучшего сращивания металла с живой клеткой, эта проблема до сих пор еще решена не до конца. И в-третьих, даже на современном уровне развития медицины вопрос обеспечения гигиены имплантата стоит все еще весьма остро – все-таки провода уходят напрямую в мозг, а обеспечить их постоянную стерильность и предотвратить попадание инфекции в быту пока еще не представляется возможным. Так что без риска для жизни использовать эту технологию возможно только в стационарных условиях.
Накопленный за много лет исследований опыт уже позволил выяснить, какие из участков мозга отвечают за те или иные функции. Настоящую революцию в исследовании процессов, происходящих в мозгу, произвела магнитно-резонансная томография. Эта процедура позволяет измерить электромагнитный отклик атомных ядер водорода на возбуждение их комбинацией волн в мощном магнитном поле. Хотя томограф, появившийся еще в 70-80-х годах прошлого века, до сих пор представляет собой огромную и дорогостоящую установку, результаты, получаемые с его помощью, просто фантастические. Он позволяет отсканировать и показать на экране с высоким качеством изображения любые внутренние органы, включая головной и спинной мозг, и исследовать активность коры головного мозга в реальном времени. Правда, из-за высокой стоимости и больших размеров использовать его в качестве датчика не представляется возможным. Зато с его помощью получилось расшифровать многие сигналы, общие для всех людей, и сконструировать наиболее точные мобильные системы датчиков. К тому же томограф позволяет определить все индивидуальные особенности мозга того или иного человека и обнаружить больные или пораженные участки.
В попытках упростить аппаратуру для мысленного управления и сделать ее более доступной ученые вернулись к самым истокам исследований головного мозга. Они обратили свое внимание на работы Сеченова и Бергера – на электроэнцефалограммы. Ведь действительно: если сигнал об активности тех или иных зон коры головного мозга можно принять, не прибегая к хирургическому вмешательству, просто с помощью шлемов с электродами, то почему бы не использовать эту методику?
Вот здесь и ожидали исследователей первые трудности. Точность распознавания сигнала не шла ни в какое сравнение с имплантатами. Первый комплекс, разработанный в 2006 году в исследовательском центре Wadsworth, несмотря на то, что имел 24 контакта, давал возможность только набирать текст на компьютере, причем с крайне низкой скоростью – всего один символ за 15 секунд. Зато в отличие от вживленных электродов, это был очень простой, дешевый и компактный прибор, включавший в себя мягкий шлем, коробочку преобразователя и ноутбук со специальной программой. То есть разработчикам удалось создать буквально домашний интерфейс. Символично, что одним из первых его пользователей стал 48-летний нейробиолог, из-за бокового амиотрофического склероза потерявший возможность двигать даже глазами. А благодаря такому простому прибору он смог продолжить научную работу!
С более сложными операциями ученым долго не удавалось достичь хороших результатов. В то время как обезьяны с вживленными электродами уже умудрялись через Интернет управлять шагающими роботами, с помощью шлема для электроэнцефалографии никак не удавалось обеспечить уверенного управления обычной инвалидной коляской. Хотя эксперименты в этой области велись еще с 2000 года, низкая скорость реакции и большой процент ошибок распознавания не позволяли получить хотя бы рабочий прототип. Только в 2009 году японские ученые из компании Toyota и исследовательского фонда RIKEN сумели усовершенствовать алгоритмы обработки сигнала. Теперь их система смогла обрабатывать до 8 команд в секунду с точностью более 95% – и этого оказалось более чем достаточно не только для самого современного самоходного инвалидного кресла, но и для решения более сложных задач.
И как всегда, стоит кому-то достичь значимых результатов, сразу находятся последователи и начинаются дальнейшие усовершенствования. Так, уже в 2013 году группа студентов из университета Миннесоты продемонстрировала систему управления игрушечным вертолетом с помощью шлема, считывавшего активность мозга, причем она позволяла устройству не только взлетать и садиться, а даже проходить составленный из воздушных шариков лабиринт. Оператор наблюдал за происходящим на мониторе через установленную на вертолете камеру и просто думал о необходимых маневрах. Количество движений модели пока невелико, но, тем не менее, это уже фантастическая точность управления. А в этом году португальская компания Tekever, занимающаяся разработкой средств связи и беспилотных летательных аппаратов, представила вполне готовый рабочий прототип. Специально подготовленный пилот с помощью шапочки с электродами, присоединенной к авиасимулятору самолета Diamond DA42, сумел произвести успешный взлет, маневрирование в воздухе и посадку. Так что будущее нейроинтерфейсов выглядит вполне радужно, и возможно, управление силой мысли вскоре станет вполне себе обыденной реальностью.
Ну, а для совсем элементарных целей, вроде забавных игрушек и тренажеров, разработчики вспомнили об открытых еще в начале прошлого века Иваном Михайловичем Сеченовым и четко классифицированных немецким психиатром Гансом Бергером основных ритмах головного мозга. Они установили, что мозг генерирует несколько определенных частот электромагнитных колебаний, зависящих от общего состояния человека. При расслаблении все основные импульсы укладываются в частоту от 8 до 14 герц (так называемые альфа-ритмы), но стоит человеку сконцентрировать внимание, и базовая частота подскакивает до 14–30 герц (бета-ритмы). Конечно, существует еще множество других импульсов на иных частотах, но именно эти два базовых были выбраны для самых простейших систем нейроуправления. Дело в том, что на современном уровне развития компьютерной техники и радиоэлектроники уверенно распознать эти частоты может совсем компактная и очень дешевая аппаратура. Легкий обруч с несколькими датчиками внешне напоминает обычную гарнитуру от наушников и четко определяет, когда пользователь концентрирует внимание, а когда расслабляется. Самая элементарная игра такого типа, получившая название Mindflex Duel, стоит уже дешевле 100 долларов и позволяет мысленно управлять летающим шариком, передвигая его, проводя через лабиринт, и даже посоревноваться в «силе мысли» с другом, переталкивая шарик. На самом деле игрок управляет не самим шариком, а поддерживающими его в воздухе вентиляторами. Когда он расслабляется и отвлекается, небольшая гарнитура считывает его альфа-ритмы и передает сигнал вентиляторам на приближение шарика, а когда он концентрируется, его бета-ритмы преобразуются в команду на отталкивание.
Похожий интерфейс уже разрабатывается даже для смартфонов – так что в ближайшем будущем нас ожидают модели, которые смогут звонить нужному абоненту, когда хозяин просто подумает об этом или посмотрит на картинку контакта.
Чем же так привлекательно нейроуправление? Неужели люди действительно настолько обленились, что даже кнопки нажимать уже непосильный труд? Не все так просто. Во-первых, для многих людей, парализованных в результате травм или болезней, это отличный шанс вернуться к активной жизни. Во-вторых, наш мозг всегда все просчитывает и планирует заранее, а значит, переданный напрямую через компьютер сигнал от него проходит гораздо быстрее, чем человек нажимает на кнопку. Это было впервые обнаружено при экспериментах на крысах и подтверждено людьми-испытателями. Так что при создании надежного интерфейса скорость реакции пилота или водителя, управляющего техникой напрямую с помощью своей мысли, будет значительно превосходить традиционные системы управления. Ну и в третьих, использование подобных технологий отлично стимулирует и дисциплинирует мышление. Тем более что и до прямой передачи мысли уже осталось не так уж и много – на крысах это уже сработало. А в прошлом году ученым удалось с помощью шлема «считать» с адресата в Испании, перевести в двоичный код и переслать через Интернет приветствие, а затем специальным прибором для стимуляции мозга напрямую отправить его другому человеку во Франции. При таких темпах развития через десяток лет и телефона не понадобится. Так что следить придется не только за словами, но и за помыслами. И работать головой в прямом смысле этих слов.
