Нейроморфные технологии // Александр Каплан

Нейроинтерфейсы: предпосылки, эксперименты, реализации и перспективы

347 0
Посмотреть на
Каковы современные концепции деятельности мозга, а также мифы о его быстродействии, объеме памяти и телепатических возможностях? А если сравнить возможности мозга человека с искусственным интеллектом?

В этой статье поговорим о теории и практике создания интерфейсов «мозг — компьютер», успешных примерах подобных устройств, перспективах развития нейроинтерфейсных технологий и создания прямого канала связи между мозгом и искусственным интеллектом.

Меня зовут Александр Каплан. Я доктор биологических наук и профессор. Сегодня я руковожу несколькими направлениями исследований мозга человека и разработками нейроинтерфейсных технологий на биологическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова, в Высшей школе экономики и в Балтийском федеральном университете имени И. Канта.

В своей лекции я подробно рассказываю о нейроинтерфейсах, а в этой статье постараюсь кратко объяснить, что это такое и к чему движется эта область технологий. Давайте начнем.

Что понимают под технологией нейрокомпьютерного интерфейса

Нейроинтерфейс — это технология, которая позволяет зарегистрировать электрическую активность мозга и расшифровать в ней намерение человека.

Впервые термин «интерфейс мозг — компьютер» в 1973 использовал в научной статье ученый из Калифорнийского университета Жак Видаль. В свое время я общался с ним. Военное ведомство США выдало Видалю грант на исследование этой технологии, которое он фактически провалил. Но не потому, что чего-то не сделал, — просто техника в то время была недостаточно развита: вычислительные машины были медленные, а объем их памяти — небольшой.

С тех пор технологию удалось значительно усовершенствовать, и сегодня нейроинтерфейс — это система для обмена информацией между мозгом и внешним устройством. Исходя из того, что с помощью современных нейроинтерфейсов можно расшифровать, их делят на два типа: внешние и внутренние.

Чем различаются нейроинтерфейсы для печати силой мысли и для управления экзоскелетом

С помощью внешних нейроинтерфейсов можно определить намерение человека по отношению к внешнему объекту. Например, на экране компьютера есть 36 мигающих букв, расположенных в табличке 6 х 6. Нам нужно понять, какая из них интересует человека. Мы закрепляем на его голове сенсоры, которые регистрируют электроэнцефалограмму, и смотрим, как мозг реагирует на мигающие ячейки, — у нас получается 36 реакций.

При этом если человек заинтересован в конкретной букве, то реакция на нее будет отличаться от остальных. Программа отслеживает это и, как только фиксирует отличающуюся реакцию, печатает нужную букву.

Точность системы в этом случае составляет 90 %. То есть человек ничего не делает ни руками, ни голосом, а просто думает о букве и ее печатает силой мысли. Благодаря такому нейроинтерфейсу мы расшифровываем намерение по отношению к внешнему объекту, в данном случае к буквам на экране.

Второй тип нейроинтерфейсов — внутренние. С их помощью мы стараемся зафиксировать намерение по отношению к мысленному образу. На данный момент мы способны расшифровать всего четыре-шесть образов, и все они телесные. Например, если человек думает о правой руке, или левой ноге, или движениях лица.

В этом случае мы также фиксируем то, что происходит на электроэнцефалограмме, учим алгоритм различать результаты и затем угадываем с его помощью, о чем думает испытуемый: например, о правой руке или о левой. Здесь точность составляет 85 %. Такие системы используются для управления протезами и экзоскелетами.

Почему можно расшифровать всего несколько образов? Подробнее об этом говорим на лекции, которая размещена в материалах этой статьи выше. Но кратко скажу, что другие образы, например апельсин, можно представлять себе по-разному, потому что они содержат в себе цвет, запах, вкус и на электроэнцефалограмме получаются, грубо говоря, расплывчатыми. В случае движения рук или ног вариантов вообразить себе это не так много, но даже здесь расшифровка не всегда удается — всё зависит от того, как человек воображает.

Также отмечу, что нейроинтерфейсы бывают инвазивными и неинвазивными. Неинвазивные располагают на голове, а инвазивные вживляют в мозг. Инвазивные интерфейсы позволяют получать более детальную информацию, потому что датчики находятся рядом с нейронами. В таком случае результаты расшифровок точнее: буквы можно распознать в 100 % случаев, а телесные внутренние образы — в 90 %.

Резюмируя, скажу, что на то, чтобы более-менее точно расшифровать, о какой букве думает человек или чем он хочет пошевелить — рукой или ногой, — потребовалось почти 50 лет. Сейчас работа продолжается, но, на мой взгляд, находится в тупике: последние 5–10 лет характеристики существующих нейроинтерфейсов не улучшаются.

Какие сложности в развитии нейроинтерфейсов существуют сегодня и почему для большинства людей эта технология бесполезна

Современные нейроинтерфейсы работают очень медленно. На определение одной буквы по системе, описанной выше, требуется 10–12 секунд. То есть получается, можно набрать всего пять-девять букв в минуту.

Что касается внутренних нейроинтерфейсов, то тут тоже много сложностей. Например, нам хотелось бы передавать какие-то команды автомобилю, когда руки заняты рулем: включить климат-контроль или дворники. Но, чтобы поймать эту внутреннюю команду, человек должен максимально сосредоточиться именно на ней, а ему при этом еще нужно вести машину.

Это сложные проблемы, которые пока не решены. Сегодня нейроинтерфейсы бесполезны для здоровых людей. Возьмем, к примеру, тот же «умный дом»: представьте, вы зашли к себе в квартиру, и прежде всего вам нужно надеть специальную шапочку с сенсорами, которая через какое-то время настроится на вас и включит свет. Для чего это здоровому человеку? Не говоря уже об инвазивных нейроинтерфейсах, для усановки которых нужно сверлить отверстие в черепе.

Поэтому в основном нейроинтерфейсы применяются в медицине. Для пациентов, которые перенесли инсульт и не могут ни двигаться, ни говорить, используют коммуникационные интерфейсы. Кстати говоря, в нашей лаборатории вместе с компаний «Нейротренд» мы разработали такой интерфейс. Он называется «Нейрочат» и помогает пациентам набирать текст силой мысли. Сейчас им пользуются во многих больницах России.

Второй тип интерфейсов тоже нашел свое применение в медицине. Здесь идет речь о восстановлении движения. Если у пациента парализована рука, как ее разрабатывать? Тренироваться. И для этого как раз нужны нейроинтерфейсы. Мы можем расшифровать намерение человека, передать этот сигнал на экзоскелет, и он, например, сожмет или разожмет руку. Так, в 2016 году сотрудники Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе разработали нейроинтерфейс, который позволяет управлять отдельными пальцами протеза руки.

Что касается здоровых людей, то для них единственная область применения нейроинтерфейсов — развлечения. Помню, были шевелящиеся уши: человек надевал ободок с белыми ушами, в который были встроены датчики электрической активности мозга, и мог ими шевелить. Это, конечно, просто игрушки, но я приветствую подобные устройства, потому что они помогают поддерживать исследовательский энтузиазм, в том числе моих аспирантов.

Кто занимается исследованиями нейроинтерфейсов в России

Я начал изучать нейроинтерфейсы в 2003 году. До этого я работал в области электроэнцефалографии, то есть регистрации электрических сигналов для диагностики заболеваний или особых состояний мозга — скажем, при нервно-психическом напряжении или во время медитации. Но однажды подумал: почему бы не создать нейроинтерфейс?

На Западе к тому времени нейроинтерфейсы уже во всю разрабатывались, а в России подобных работ не было. Я попросил грант, но мне его не дали. У нас в стране тогда считалось, что всё это чудачества. То есть можно сказать, что еще совсем недавно в России никто даже не говорил о таких технологиях.

Тем не менее первая российская работа о нейроинтерфейсах была опубликована моей лабораторией в 2005 году. И с тех пор эта тема развивается. Сейчас в нашей стране есть пять-семь лабораторий, которые занимаются неинвазивными интерфейсами, и одна, которая изучает инвазивные системы.

Мы сотрудничаем с иностранными коллегами. Обмениваемся публикациями, обсуждаем результаты исследований на конференциях. Уровень исследований в России в тех областях, где они ведутся, высокий. Но проблема в том, что молодым коллективам и тем, кто находится не в Москве или Петербурге, сложно стартовать — им трудно получить гранты.

С этим связана еще одна сложность — недофинансирование. У известных научных коллективов средств достаточно, а у малых не хватает. Это возникает из-за того, что в целом финансирование науки в нашей стране гораздо меньше, чем, например, в США. Поэтому проблемы есть, но пока мы не отстаем. Наше главное преимущество — высокая теоретическая подготовка. Это касается и физики, и химии, и биологии, и математики.

Что будет с нейроинтерфейсами дальше

Сегодня задача научных коллективов и в России, и в мире — расшифровка полученных сигналов. Даже знаменитый эксперимент компании Neuralink Илона Маска с обезьяной нельзя считать завершенным, потому что у них есть информация, которую они получили, введя в мозг 100 тысяч контактов, но результатов обработки этой информации пока нет.

Единственное достижение Neuralink на данный момент — это то, что им удалось создать устройство, которое может быстро вводить контакты в мозг. Но дальше дело не идет. Всё, что продемонстрировала макака Пейджер, уже было показано 15 лет назад.

Поэтому сегодня давать прогнозы относительно будущего сложно, так как существенных прорывов в сфере нейроинтерфейсов не было давно. Хотя есть один ход который еще не попробовали: скрестить нейроинтерфейс с искусственным интеллектом. То есть если сейчас мы пытаемся расшифровать намерение человека и передаем эту информацию на исполнительное устройство, то потом в качестве исполнительного устройства может выступать ИИ.

Суть такая: искусственный интеллект будет принимать эту команду и по электроэнцефалограмме пытаться догадаться, что задумал человек. То есть если я представлю апельсин, а ИИ решит, что это мяч, то мозг сможет подать ему сигнал о том, что это не то. Алгоритм опять начнет угадывать и в конце концов покажет апельсин. Мозг, по сути, начнет договариваться с искусственным интеллектом и так модифицировать свою энцефалограмму, чтобы на том конце ИИ побыстрее догадался, что задуман именно апельсин. Это будет новый этап в нейроинтерфейсной теории и практике. Но сейчас мы только к нему приступаем.

Что еще почитать и посмотреть о работе нейроинтерфейсов

Порекомендую пару своих работ:

  • Книгу «Тайны мозга», в которой российские нейробиологи, лингвисты, антропологи, палеонтологи, биохимики и эволюционные биологи высказывают свое мнение об устройстве и эволюции мозга человека.
  • Научную статью «Нейрокомпьютерный симбиоз: движение силой мысли» о расшифровке мозговых нейронных кодов, отвечающих за движение конечностей.

На этом всё. А более детальный рассказ смотрите в моей лекции, которая размещена в материалах статьи выше.

Будь первым, кто оставит комментарий

This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ