Завязать шнурки искусственными руками

Как наладить связь с полностью обездвиженным человеком? Зачем нужен мозг и можно ли протезировать сознание? На эти и другие вопросы отвечает Александр Алексеевич Фролов, Доктор биологических наук, профессор. Заведующий лабораторией математической нейробиологии обучения в институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН

Россия 2045: Известный футуролог и изобретатель Рэймонд Курцвейл незадолго до Нового года выступил с прогнозом, согласно которому уже в течение следующих двадцати лет человек сможет получить полностью искусственное тело. Вы занимаетесь интерфейсами «мозг — компьютер». Как вы считаете, существуют ли в вашей области науки реальные основания для того, чтобы поддержать этот прогноз?

Александр Александрович Фролов: Я думаю, что вопрос поставлен некорректно. Вероятно, надо заменить «получить» на «иметь». «Получить» можно понять как утверждение, что человек — это что-то внешнее по отношению к своему телу, и он может получить как тело естественное, так и тело искусственное. На самом деле человек и есть его тело. И вопрос состоит в том, может ли человек иметь искусственное тело. И может ли нечто, имеющее искусственное тело, называться человеком.
Я думаю, что большинство людей согласятся с утверждением о том, что сохранение личности связано с сохранением памяти и, тем самым, с сохранением самоидентификации. И если при замене естественного устройства памяти на искусственное информация не потеряется, то человека, по-видимому, можно считать человеком. Причем тем же самым человеком, что и до операции.

Россия 2045: А можно ли в ближайшем будущем (например, в следующие 20 лет) провести на человеке такую операцию?

А.А.Ф.: Я не берусь судить о сроках, но не вижу принципиальных ограничений на возможность такой операции. Уже сейчас проводятся операции с вживлением искусственных сенсорных органов для восстановления слуха и зрения. Известны работы по разработке протеза гиппокампа, проводимые профессором Бергером из университета в Южной Калифорнии. А гиппокамп — это как раз орган памяти, хотя и кратковременной. Постоянно происходит расширение репертуара органов человека, поддающихся протезированию, включая и некоторые области мозга.
Проблема создания искусственной памяти, сохраняющей содержимое естественной памяти индивидуального человека, хотя и является сложной, но представляется разрешимой. Для начала таких исследований можно было бы предложить несколько вполне реалистичных подходов.

Россия 2045: Расскажите, пожалуйста, что такое интерфейс «мозг — компьютер» (ИМК)?

А.А.Ф.: ИМК — это устройство прямого сопряжения сигналов головного мозга с техническими устройствами. При возникновении какого-либо намерения в мозге человека возникают сигналы, соответствующие этому намерению. ИМК позволяет провести их классификацию в зависимости от намерений человека и распознать, к какому классу относится сигнал. А распознавание класса сигналов эквивалентно распознаванию намерения человека, которое и передается напрямую техническому устройству.

Россия 2045: Каковы наиболее значительные достижения в работе с нейроинтерфейсами? Какие цели ставят перед собой исследователи?

А.А.Ф.: В настоящее время исследования по ИМК вышли из того этапа, когда было необходимо доказывать состоятельность и важность этого направления в лабораторных условиях. Теперь нужно искать эффективные способы их широкого применения.

Россия 2045: Т.е. интерфейсы «мозг — компьютер» уже нашли практическое применение?

А.А.Ф.: Инвазивные ИМК содержат матрицу электродов, вживляются в голову, обычно на поверхность коры мозга. Они регистрируют сигналы активности отдельных нейронов и имеют хорошее разрешение для распознавания намерений человека. Но их применение связано с необходимостью операции на мозге. Поэтому опыт их использования ограничен полностью обездвиженными пациентами, для которых ИМК становится единственным средством передать свои намерения внешнему миру. Таких операций в мире уже сделаны десятки, и они показали свою эффективность. Исследования по их совершенствованию проводятся в основном на обезьянах.
В неинвазивных ИМК используются сигналы, регистрируемые на поверхности головы или даже на расстоянии от головы. Источник этих сигналов — локальные токи мозга, сопровождающие его активность. От поверхности головы регистрируется электроэнцефалограмма, на некотором расстоянии от головы — магнитоэнцефалограмма. Именно ИМК, связанные с регистрацией ЭЭГ, скорее всего, найдут наиболее широкое применение. В основном обсуждается и уже реализуется их применение в индустрии компьютерных игр и в клинике. Уже разработаны шапочки, не требующие сложной настройки, они надеваются на голову как обычная шапка. Я думаю, со временем такая шапочка станет рядовым бытовым прибором, как телевизор или персональный компьютер. Ведь умение передавать свои намерения внешним техническим устройствам непосредственно сигналами мозга само по себе может стать увлекательной игрой.
Если говорить о клиническом применении неинвазивных ИМК, то исследования по их использованию в основном связаны с реабилитацией двигательных функций у постинсультных больных, у которых эти функции потеряны.

Россия 2045: Возвращаясь к вопросу об искусственном теле. Когда технологии нейроуправления станут достаточно развиты, чтобы решить задачу управления таким сложным устройством, как искусственное тело?

А.А.Ф.: Если говорить о внедрении технологии ИМК для управления искусственными органами тела, то разработка этой технологии пойдет, по моему мнению, от задачи реабилитации постинсультных больных, о которой я уже упомянул. Создание самой искусственной руки — это задача не менее сложная, чем задача создания системы ее управления с помощью ИМК.
Дело в том, что управление современными роботами и манипуляторами основано на совершенно других принципах, нежели движения у живых организмов. Поэтому больные, у которых движение руки выполнялось с помощью таких манипуляторов, воспринимали их недружелюбными и отказывались использовать. Если вы попробуете сами пассивно двигать рукой с помощью такого манипулятора, то вы будете ощущать непривычно большую жесткость в суставах. Они настроены на очень большие коэффициенты в петле обратной связи, ликвидирующей отклонения от заданной траектории движения руки созданием дополнительных силовых моментов в суставах.
У реальной руки коэффициенты в петле обратной связи на порядки меньше, и поэтому ее движения более плавные и мягкие. Поэтому для создания системы управления искусственными органами надо создать еще хорошие механические модели этих органов. Далее идет задача очувствления этих органов, т.е. создания внутренних и внешних рецепторов, аналогичных тактильным и проприоцептивным рецепторам в живой руке, которые, кроме зрительного сигнала, будут сообщать человеку о текущем положении его руки и пальцев. Эту информацию можно преобразовывать, например, в слуховые сигналы. Имея в виду высокую способность мозга к обучению, можно ожидать, что эти сигналы после длительной двигательной тренировки начнут восприниматься мозгом как сигналы движения.
Этот процесс называется выработкой сенсомоторной координации, которая является основой поведения животных и человека. Можно ожидать, что в результате такой тренировки человек научится выполнять сложные движения двумя руками: естественной и искусственной. Например, завязывать шнурок на ботинке. Когда одна искусственная рука будет освоена, можно добавить еще одну руку и т.д. Это существенно увеличит двигательный репертуар человека, что может быть полезно для некоторых профессий.

Россия 2045: Какие основные препятствия вы видите в решении этой задачи? Речь идет не о полном переносе мозга на искусственный носитель, но хотя бы о дистанционном управлении.

А.А.Ф.: Я не вижу никаких принципиальных ограничений на возможность решения этой задачи, кроме того, что эта задача достаточно сложна, требует участия специалистов разного профиля и хорошей их координации.

Россия 2045: Мозг, как мы его знаем, во многом является органом для управления множеством процессов, происходящих в теле. Что произойдет с ним, если его «подключить» к телу искусственному? Насколько сложным должно быть искусственное тело, чтобы мозг не заметил подмены?

А.А.Ф.: Вопрос не в том, должно ли устройство, управляемое сигналами мозга, быть слишком простым, а в том, не будет ли оно слишком сложным. И здесь проблема не в ресурсах мозга, а в возможности понять и классифицировать его активность с помощью классификатора ИМК.
Пока ИМК управляют достаточно простыми устройствами с малым числом степеней свободы. Например, управление искусственной рукой производится обобщенными командами: «Схватить», «Отпустить», «Сжать кулак», «Разжать» и т.д. В этом случае движение заранее программируется, и по команде «Схватить» манипулятор движется по заранее заданной траектории и его пальцы хватают предмет, расположенный в заданном месте пространства. По команде «Поднести ко рту» манипулятор опять совершает заранее запрограммированное движение и подносит стакан к точке пространства, где заранее запланировано положение рта. Пациенту, управляющему таким манипулятором, нужно подвести рот к нужной точке.
Сколько различных намерений человека можно распознать с помощью ИМК и сколькими степенями свободы можно управлять независимо — это один из важных вопросов, которые в настоящее время решаются исследователями ИМК.

Россия 2045: Искусственное тело — это что-то внутреннее или все же внешнее для мозга?

А.А.Ф.: Мозг — это орган тела, предназначенный для обслуживания его потребностей. Хотя потребности могут выражаться не только в восполнении ресурсов жизнеобеспечения, но и, например, в социальном одобрении, получении места в социальной группе и т.д. Мозг упорядочивает текущие потребности, выделяет из них главные, т.е. в любом случае выполняет функцию по обслуживанию своего тела. Если удастся пространственно разнести мозг и тело, мозг все равно будет функционировать только при условии, что тело воспринимается им как свое.

Россия 2045: В нашем теле существует множество процессов, на которые мы не обращаем внимания: дыхание, пульс, температурная регуляция, работа пищеварительной системы и др. В случае с искусственным телом не получится ли так, что человек не сможет всеми этими процессами управлять вручную?

А.А.Ф.: Действительно, человек не управляет отдельными мышцами сознательно. Сознательно ставится двигательная цель, а перевод задачи по достижению цели в активность мышц совершается на подсознательном уровне. Хотя в экспериментах с биологической обратной связью человека можно научить активировать отдельную мышечную единицу и даже отдельный нейрон. Но что при этом делается в мозгу, когда такое управление осуществляется, человек не осознает. Он учится это делать по ошибкам, которые даются ему по обратной связи, и в конце концов научается воспроизводить ту активность мозга, которая обеспечивает активацию отдельной мышечной единицы или отдельного нейрона, не понимая, как активность мозга выглядит.
ИМК — это тоже обучение человека по биологической обратной связи. Тренируясь управлять ИМК, человек научается подавлять шумы, т.е. активность мозга, не связанную с требуемой ментальной задачей, а активность, с ней связанная, становится более стабильной. Таким образом, при управлении внешними устройствами, как и при управлении собственным телом, никакого «ручного» управления отдельными степенями свободы этого устройства не должно потребоваться.

Россия 2045: Человеко-компьютерный интерфейс — замечательная идея. А могут ли разные люди общаться друг с другом посредством таких интерфейсов?

А.А.Ф.: Не вижу проблем. Человек с помощью ИМК может выразить свое намерение на экране компьютера, другой человек его увидит и ответит с помощью своего ИМК. Можно разработать устройство, которое будет кодировать намерение не в виде зрительного образа, а в виде, например, звукового или тактильного сигнала. Со временем, вероятно, научаться кодировать намерение с помощью сигнала, передаваемого непосредственно в мозг, например, вызывая у человека ощущение покалывания в определенной точке тела или в виде зрительного фосфена. Здесь проблема чисто техническая.

Россия 2045: Когда мы говорим о бионических протезах, управляемых с помощью нейроинтерфейса, может ли такой протез отличаться от человеческой руки? Существуют ли какие-то трудности в управлении такой искусственной конечностью или телом, состоящим из таких нестандартных элементов?

А.А.Ф.: Принципиальных трудностей по освоению дополнительных рук и ног нет. Об этом говорит хотя бы опыт освоения человеком различных инструментов. Опытный рабочий ощущает инструмент как часть тела. Принципиальных различий в освоении собственного тела и инструментов не существует.
Но все сенсорные органы должны располагаться на одном теле. Сенсомоторная координация сводится к тому, что мозг согласует информацию, приходящую в него от различных сенсорных систем, и именно поэтому мы воспринимаем мир как нечто внешнее и стабильное, а не как хаотическую смену раздражения рецепторов, расположенных на поверхности тела.

Россия 2045: Если сознание и память, особенности мышления — всего лишь продукт работы мозга, то можно ли протезировать и их? Возможно ли воссоздать сознание на внешнем носителе? Протезировать его часть или перенести целиком — причем так, чтобы сохранить субъективную идентичность человека — вплоть до, скажем, политических взглядов?

А.А.Ф.: Сознание, память, мышление — это процессы. Можно говорить об их воспроизведении, но не о протезировании. Повторюсь, эти процессы обслуживают тело, поэтому их можно воспроизвести только вместе с телом, имеющим мозг. И мозг, и тело в принципе могут быть искусственными. Думаю, что непосредственно переписать память человека на внешний носитель типа диска компьютера невозможно. Они организованы слишком по-разному. Но можно представить вариант перезаписи, при котором нейропротез, имитирующий по структуре и функции реальную нейронную сеть, вживляется в мозг вместо поврежденной его области. После совместной работы с неповрежденными областями мозга он включается в распределенную систему памяти. После этого второй нейропротез вживляется в другую область мозга и т.д. В этом случае последовательное включение нейропротезов в распределенную память происходило бы естественным путем, аналогичным тому, как происходит включение неповрежденных областей мозга в выполнение некоторой функции после повреждения областей мозга, ранее выполнявших эту функцию. Представляется, что при таком переносе памяти в нейропротез содержание памяти и самоидентификация человека сохранятся.

Россия 2045: Мы сейчас говорим о том, что не существует принципиальных причин, которые делали бы невозможным сначала создание дистанционно управляемого тела, а потом и увеличение продолжительности жизни в несколько раз за счет использования комбинации «живой мозг — искусственное тело». Это потрясает. Скажите, пожалуйста, каков, на ваш взгляд, требуемый социальный, финансовый и научный масштаб такого проекта, т.е. что требуется для того, чтобы действительно это реализовать?

А.А.Ф.: Я думаю, что по масштабам и необходимости междисциплинарного подхода такой проект сравним с проектами создания ядерного оружия или ракетной техники. В одной из статей я читал, что в Китае планируется создать национальное агентство по изучению и моделированию мозга, подобное НАСА в Америке.

Россия 2045: Мы видим, как поколения высокотехнологичных телефонов сменяют друг друга как в калейдоскопе, и с каждым следующим шагом их возможности резко возрастают. Происходит ли что-то подобное с нейроинтерфейсами?

А.А.Ф.: Я ожидаю скорого и широкого внедрения ИМК в индустрию игр и в практику реабилитации постинсультных больных. Если такое внедрение произойдет, то появятся и стимулы для развития технологии ИМК.

Россия 2045: Нужны ли искусственные тела людям, когда не всегда понятно, как прокормить естественное?

А.А.Ф.: Исследования по ИМК никак с этой проблемой не пересекаются. Более того, создание понятного и контролируемого проекта государственного уровня помогло бы поднять общий уровень научно-технических исследований в стране, подобно тому, как это было во время ядерного и ракетного проектов. В настоящее время социальная полезность исследований по ИМК обусловлена возможностью их клинического применения, а коммерческая заинтересованность связана с индустрией игр. Любой человек может получить инсульт или еще какую-либо более страшную болезнь и поэтому должен быть заинтересован в создании способов ее лечения. Кроме того, каждый человек смертен, и большинство хочет продлить жизнь. Если обсуждаемый нами подход будет этому способствовать, то даже учитывая все возможные этические проблемы, связанные с его выполнением, он должен быть интересен людям. Думаю, что ни один из выполняемых сейчас проектов про продлению жизни не свободен от рисков.