Нейрокомпьютерный интерфейс: когда машины поработят наши мысли

Популярная культура кишит образами киборгов — людей, установивших с машиной слишком тесную и опасную связь. Сюжеты «‎Матрицы» и «‎Чёрного зеркала» показывают, как легко нам слиться с цифровой реальностью. От этого у людей возникает тревога: пусть не где-то в тайных лабораториях, не сейчас, но в ближайшем будущем — вдруг компьютер окажется способен перехватывать наши чувства или даже получит над нами какую-то власть? Вдруг наше сознание смогут незаметно оцифровывать и переносить на искусственный носитель? Давайте разберёмся, так ли опасны настоящие нейрокомпьютерные интерфейсы и насколько уместны подобные мрачные прогнозы.

Чтение мыслей

Мы очень ограничены в способах выражения своего сознания. В нашем мозге работает почти сто миллиардов нейронов; через них бегает электричество, они синтезируют нейромедиаторы и выпускают их в тысячи синапсов — контактов с другими нервными клетками. Где-то в процессе и формируется то, что мы называем мыслями и сознанием. Но выйти, проявиться во внешнем мире всё это может только одним способом — через мышцы: скелетные, лицевые, те, что приводят в действие голосовой аппарат. Не используя их, мы не способны передавать содержание нашего внутреннего мира наружу, другим людям.Бывает, из-за врожденных заболеваний или перенесенных травм человек лишается даже такого канала связи с внешним миром. Что делать в этом случае? Да и в целом, разве не хотелось бы вам научиться передавать мысли напрямую, без огрубляющего посредничества мышц? Ведь далеко не все мы можем, как гениальные писатели или танцоры, искусно раскрывать себя через речь или движения.Нейрокомпьютерный интерфейс призван наладить прямую связь между мозгом и внешним устройством, например компьютером. То есть позволить передавать мысли как есть, без искажений.Но как же узнать, что происходит в мозге?

 Историю нейрокомпьютерного интерфейса можно отсчитывать с конца XIX — начала XX века, когда был придуман метод электроэнцефалографии (ЭЭГ). Он работает так: к голове человека крепятся электроды, которые улавливают электрическую активность нейронов. Конечно, не единичных, ведь их активность очень мала — всего несколько десятков микровольт. Электроды улавливают синхронную активность целых пластов нейронов, в основном тех, что находятся в коре. Затем сигнал усиливается и довольно условно раскладывается на разные волны в зависимости от диапазона частот. По ним можно диагностировать заболевания, например эпилепсию, или примерно судить о состоянии человека — скажем, расслаблен он или сконцентрирован. У ЭЭГ много достоинств: метод измеряет активность мозга напрямую, быстро и не требует доступа внутрь черепа. Но есть и недостатки — высокий уровень шума, то есть «‎лишних» сигналов.Существуют и другие методы регистрации активности мозга. Например, функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) измеряет кровоток — он усиливается в активной области. То же делает спектроскопия в ближнем инфракрасном спектре (БИК). Магнитоэнцефалография (МЭГ) работает иначе — считывает магнитные поля, которые возникают при активации нейронов. Но все эти методы слишком сложные и требуют громоздкого оборудования, поэтому остаются уделом лабораторий. В коммерческих разработках приходится прибегать к ЭЭГ.Улучшить качество сигнала в ЭЭГ можно двумя способами. Во-первых, усовершенствовать программное обеспечение. Во-вторых, всё-таки проникнуть внутрь черепа и ловить сигналы в самом мозге или хотя бы на поверхности коры (последний метод называется электрокортикографией).

Из-за огромных размеров МРТ-аппараты не используются для создания коммерческих НКИ / Image Editor / [CC BY 2.0]Инвазивные методы используются преимущественно в медицине. Всё-таки на идею сверлить череп здоровому человеку разработчики (да и пользователи) коммерческих НКИ смотрят с опаской. Возможные риски перевешивают потенциальную пользу. Поэтому эти методы применяются, например, в близкой к НКИ сфере нейропротезирования. Она отличается тем, что связь налаживается не между мозгом и компьютером, а между нервами где-то на периферии и внешним электронным устройством.Самый старый пример нейропротеза — кохлеарный имплантат. Ранние одноканальные аппараты появились ещё в конце 1950-х — начале 1960-х годов, а первый современный многоканальный имплантат был изобретен в 1970-х инженером NASA. Если обычный слуховой аппарат просто усиливает звуки, то кохлеарный замещает повреждённое ухо: принимает аудиосигналы через микрофон, самостоятельно перерабатывает их в поток электрических импульсов и передаёт на слуховой нерв.Однако человек не обретает слух сразу после установки имплантата. Чтобы научиться распознавать звуки и речь, нужен долгий период реабилитации. В это время мозг учится считывать искусственно сгенерированные импульсы и правильно их декодировать. Ведь аппарат не ‎вкладывает в мозг готовое представление о мире. Он заменяет вышедший из строя канал для «‎сырых» данных и переводит информацию из внешнего источника в доступный мозгу формат. Мозг приспосабливается к работе с ним благодаря нейропластичности — способности менять структуру, например, в результате обучения. Поэтому имплантат лучше устанавливать как можно раньше — после потери слуха или после рождения, если человек уже родился с нарушениями слуха.

Компания Neuralink, помимо прочего, разрабатывает робота-хирурга, способного вживлять электроды в мозг с минимальным риском для здоровья / Elon Musk, Neuralink, doi.org/10.1101/703801 / [CC BY-ND 4.0]Кстати, эта тема — предмет споров в сообществе глухих. Многие люди не считают глухоту болезнью, ведь она не мешает нормально жить. Некоторые исследования даже показывают, что дети, выучившие язык жестов, более академически успешны. А те, кто использует кохлеарный имплантат и учится в обычной школе, могут потерять часть самоидентификации и связь с сообществом, а взамен обрести чувство неполноценности.

Обмануть мозг

Получается, нейропротезирование не позволяет быстро и незаметно навязать мозгу другую реальность. В некоторых других случаях это возможно, но ненадолго. Например, набор RoboRoach позволяет создать таракана-киборга. В результате простой операции в нервы внутри антенн вживляются электроды. Когда в один из них посылается сигнал, таракану кажется, что антенна касается какого-то препятствия, и насекомое сворачивает с пути. Так тараканом можно управлять через приложение на телефоне, заставляя его поворачивать в разные стороны. Впрочем, недолго: мозг насекомого быстро понимает, что что-то не так, и перестает откликаться на команды. Таракана нужно вернуть в его коробочку, чтобы он пришел в себя в знакомой среде, и попробовать снова через какое-то время.Получается, машина не может незаметно и надолго вмешаться в наше восприятие реальности. Но способна ли она читать мысли и перехватывать намерения?

Нейроны спинного мозга мыши / NICHD / S. Jeong / [CC BY 2.0]По словам доктора биологических наук Александра Каплана, ведущего российского специалиста в области нейрофизиологии, разгадать образы, которые рождаются в нашем мозге, нельзя. Он слишком большой и сложный. Между миллиардами нервных клеток налажено какое-то свое общение, оно постоянно меняется и перепрограммируется. За всем этим не уследишь, да и расшифровать такой массив данных нам пока не под силу. Но некоторые люди могут печатать, играть в компьютерные игры и даже управлять экзоскелетом одной силой мысли. Как такое возможно?Дело в том, что нейрокомпьютерный интерфейс считывает не мысли, а намерения — причем те, что оформлены в известные компьютеру команды. Чтобы наладить «общение», необходима тренировка: пользователь учится создавать команды, понятные компьютеру, а компьютер — грамотно их считывать. Разные НКИ работают по разным методам — они различаются, помимо прочего, сложностью команд, а значит, и длительностью обучения.Например, печатать силой мысли можно уже через 10−15 минут тренировки. Программа следит за сигналом P300 — одним из компонентов ПСС (потенциала, связанного с событием, — электрофизиологического отклика мозга на стимул). Когда человек узнает некоторый объект, амплитуда сигнала превышает пороговое значение, и компьютер это замечает. Процесс выглядит так: испытуемый смотрит на экран, на котором размещены буквы и знаки препинания. Символы мигают по одному в случайном порядке. Если мигают те буквы или знаки, которые сейчас не нужны человеку, сигнал P300 не возникает. Когда вспыхивает нужный символ, сигнал появляется, компьютер считывает его и выводит букву или знак на экран. Через 10−15 минут тренировки человек может печатать со скоростью 5−10 символов в минуту. Те, кто хорошо освоил программу, за то же время могут напечатать до 75 символов. Этот метод использовался в одном из первых коммерчески доступных нейрокомпьютерных интерфейсов — Intendix. Он был представлен публике в 2009 году.

Тот же принцип использует компания Neurable, которая специализируется на VR-играх. Так, в игре Awakening игрок может силой мысли выбирать и бросать периодически загорающиеся предметы. Фишка компании — использование машинного обучения, которое позволяет эффективнее отделять значимые сигналы от шума.С помощью программного обеспечения того же Indentix можно силой мысли играть в популярные игры, например World of Warcraft или Angry Birds. Метод здесь немного другой: символы, скажем, стрелок направления движения тоже мигают, но не по очереди, а все вместе и с разной частотой. Когда человек смотрит на конкретный символ, в его ЭЭГ видна та частота, с которой тот мигает. Программа считывает это и выполняет нужное действие. В результате, просто глядя на экран с мигающими стрелками, человек может управлять героем в игре. Или двигать экзоскелетом: такое применение НКИ нашли корейские и немецкие ученые в 2015 году.У подобных методов есть свои плюсы и минусы. Они не требуют долгого обучения, но и не очень точны. К тому же, концентрируясь на экране, человек быстро устаёт, и точность управления падает.

Сюжет эпизода «Игровой тест» в сериале «Черное зеркало» построен на тестировании технологии, которая анализирует работу мозга, выясняет, чего человек боится больше всего, и затем воссоздает эти ужасы в виртуальной реальности / Netflix, 2011−2019Вариант для более «‎продвинутых» пользователей — управление с помощью медленных корковых потенциалов, то есть устойчивых сдвигов в ЭЭГ. Разные частотные диапазоны волн ассоциированы с разными видами активности мозга. Грубо говоря, дельта- и тета-волны — это сон, альфа-волны — спокойное бодрствование, а гамма-волны — концентрация. Мы можем опосредованно ими управлять. Например, начав делить в столбик в уме, мы повышаем уровень внимания, и в ЭЭГ становятся видны гамма-волны, а если мы расслабляемся и закрываем глаза, то ЭЭГ регистрирует альфа-ритм. Впрочем, это не так просто, как кажется. Кто хоть раз пытался заняться медитацией, знает, как сложно контролировать собственные мысли, расслабляться и концентрироваться. Поэтому, чтобы научиться управлять чем-то с помощью этих ритмов, придется постараться: тренировка займет несколько недель. К тому же метод сильно ограничивает количество команд. Чем их больше, тем сложнее обучение и тем хуже компьютер их различает.Зато можно использовать такие НКИ в обратную сторону — чтобы тренировать свою способность концентрироваться и расслабляться. Например, для этого созданы системы Thera Prax® компании neuroConn. Они призваны помочь людям с нарушениями сна или СДВГ (синдромом дефицита внимания и гиперактивности). Наушники Kokoon определяют состояние человека и, если тот начал засыпать, делают звук тише, а потом вообще включают белый шум. Связанное с устройством приложение анализирует активность мозга и дает советы по поводу улучшения качества сна или медитаций.

Возможно, в будущем мы научимся лучше регистрировать и интерпретировать сигналы мозга. Мы изучим его строение и функции, и нейрокомпьютерные интерфейсы войдут в нашу жизнь. Их можно будет использовать для расширения способностей, для управления машинами и тяжелой техникой. Но пока сфера их применения ограничивается медициной и редкими играми. Что касается восстания машин, подмены реальности и чтения мыслей — до этого далеко как до Луны. Можно спать спокойно, «‎Матрица» нам пока не грозит.