Банальная электроэнцефаллограмма, регистрирующая электрические токи мозга и придуманная сто лет тому назад, сегодня получила новое рождение. Она легла в основу технологии интерфейса «мозг-компьютер», благодаря которым даже обезьяны могут управлять роботом с помощью мысленных команд. Паралитики получили возможность писать емейлы, не ударяя палец о палец, а любители гаджетов — айфоны, набирающие номер человека, о котором вы подумали. И это только начало.

Автор: Екатерина Россихина

XVIII век. На балконе итальянского ученого Луиджи Гальвани рядами висят ноги лягушек, во время грозы неведомая причина заставляет их содрогаться в конвульсиях. Гальвани назвал это явление «животным электричеством» и вошел в историю в качестве первого электрофизиолога.

В середине XIX века Эмиль Дюбуа-Реймон (Emil Du Bois-Reymond) доказал взаимосвязь между электрическим током и нервным импульсом; в 1875 году Ричарду Кетону (Richard Katon) удалось зарегистрировать электрическую активность мозга подопытных животных с помощью гальванометра, снабженного зеркалом. Психиатр Ганс Бергер (Hans Berger) в 1924 году начал записывать первые электроэнцефалограммы человека, а к 1929 году относится первая посвященная этому публикация.

Бергер записал семьдесят три электроэнцефалограммы своего сына, для чего заставлял последнего стричься настолько коротко, насколько только возможно; не отказывался он и от помощи добровольцев, отдавая предпочтение совершенно лысым. Ученый не мог наблюдать запись электроэнцефалограмм в реальном времени, так как печатал их на фотобумаге, которую затем разворачивал и проявлял. Однако уже в 1932 году немецкий инженер Jan Friedrich Toennies сконструировал первый аппарат для записи ЭЭГ, печатающий чернилами на обычной бумаге.

Датчики для снятия электроэнцефалограмы объединены в шлем. Источник: http://www.icad.org

Метод электроэнцефалограммы использовался для исследования восприятия, памяти, адаптации; помогал диагностировать эпилепсию (а также прогнозировать, когда можно ожидать следующий приступ), расстройства сна и другие болезни. И постоянно совершенствовался.

Почему мы так странно устроены?

Откуда в теле человека берется электричество? Условия его появления обеспечивает избирательная проницаемость клеточной мембраны, благодаря которой содержание ионов калия в клетке во много раз выше, чем во внеклеточной жидкости, а содержание ионов натрия — во много раз ниже. Между клеткой и ее окружением возникает разность потенциалов. Потенциал покоя нервной клетки всегда отрицателен и составляет порядка -70 мВ (милливольт).

При раздражении нейрона некоторые из натриевых каналов открываются, и ионы натрия входят внутрь клетки. Приток этих положительно заряженных ионов снижает отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны, что приводит к деполяризации, которая сопровождается резким изменением вольтажа и разрядом — возникает так называемый «потенциал действия», т.е. нервный импульс.

Человек полетел в космос, машина прочла его мысли

В 1967 году психиатр Эдмонд Деван (Edmond M. Dewan) опубликовал в журнале Nature статью об эксперименте, участников которого просили сосредоточиться на тех или иных символах азбуки Морзе. Пока они это делали, электрическую активность их мозга регистрировала электроэнцефалограмма. В моменты концентрации на символах, электроэнцефалограмма менялась. После небольшой тренировки испытуемые смогли с помощью азбуки Морзе передавать аппаратуре целые слова. Было непонятно, какие именно нейроны и волны мозга были задействованы в ходе эксперимента, но это работало — человек впервые смог послать свою мысль машине и быть ею понят.

Через 30 лет с помощью этой технологии его коллеги будут играть на музыкальных инструментах, расположенных на берегу, плавая под водой. Источник: http://wearcam.org

Нет ничего удивительного в умении человека сообщать свои намерения внешним устройствам, им самим же и созданным; Деван продемонстрировал, что для контроля над техникой можно обойтись без тела — достаточно мысли.

Результаты эксперимента Девана заинтересовали военных, которые хотели использовать новый способ общения с техникой для облегчения работы пилотов, и врачей, ведь открытие означало, что полностью парализованные и потерявшие способность говорить пациенты получат возможность сообщать свои намерения окружающим!

Радиоуправляемая коррида и дистанционный контроль над эпилепсией

 В те же годы по другую сторону Атлантики испанский нейрофизиолог Хосе Дельгадо (Jose Delgado) изобрел «стимосиверы» (stimoceiver – от словосочетания stimulation receiver, то есть «приемник стимулов») — радиоуправляемые электродные матрицы, имплантируемые в мозг и взаимодействующие с ним. В 1964 году Дельгадо, убежденный, что ученый должен нести ответственность за свои изобретения и пробовать их на себе, провел зрелищную демонстрацию возможностей стимосивера, местом для которой стала коррида. Опытные тореадоры как следует разозлили 250-килограммового быка Лучеро и оставили его на ринге один на один с Дельгадо. Лучеро приближался к ученому с самыми недобрыми намерениями, но Дельгадо успел нажать на кнопку и послать сигнал в стимосивер, имплантированный быку — животное мгновенно забыло об агрессии и мирно побежало прочь. На следующий день испанские газеты выразили беспокойство, что стимосиверы положат конец корриде. 

Бык остановился в считанных метрах от Дельгадо. Ученый позже признался, что успел не на шутку испугаться

Несколько лет спустя Дельгадо заявил, что регулярно получает письма от людей, опасающихся, что он контролирует их мысли. Он отвечал, что сам по себе контроль над мыслями не хорош и не плох — все зависит от того, чьи мысли контролировать и с какой целью — и приводил в пример эпилептиков, начало приступа у которых могло бы быть зафиксировано и предотвращено компьютером.

В своей книге «Материальное управление сознанием: по направлению к психоцивилизованному обществу» (Physical Control of the Mind: Toward a Psychocivilized Society) Дельгадо заявлял: «В ходе развития цивилизации значение наших мышц, ощущений и навыков было невероятно переоценено. Сегодня мы можем добавить к спектру своих способностей новое измерение: прямой интерфейс между мозгом и машиной...Мы стремительно продвигаемся в изучении взаимосвязей электрических импульсов и соответствующего им поведения, а также в разработке методологии двусторонней коммуникации мозга и компьютера».

Принцип прямого сообщения мозга и внешнего устройства получил название интерфейс «мозг-компьютер», или нейрокомпьютерный интерфейс. Эксперименты на животных продолжились. Пару десятилетий дело почти не двигалось с места: вычислительные устройства были медленными, точность электроэнцефалограмм оставляла желать лучшего. В 90-е годы вместе с бурным развитием компьютерных технологий наступила эра расцвета и нейрокомпьютерных интерфейсов.

Подопытные животные управляют роботами, ученые аплодируют

 В лаборатории Мигеля Николелиса (Miguel Nicolelis) бегает мышь, которая хочет пить. Она приучена нажимать на кнопку, которая активизирует руку робота, приносящую воду. Но неожиданно правила изменились — кнопка исчезла. Однако стоит мыши подумать о нажатии, как это намерение считывается посредством электродов, имплантированных в ее мозг, и передается руке робота, приносящей долгожданную воду. Николелису и его коллегам удалось расшифровать, какие именно нейроны проекционной зоны коры головного мозга мыши отвечают за нажатие на кнопку и запрограммировать руку робота реагировать на них. Исследователи были поражены, как быстро мышь научилась столь нетривиальному действию. Удача эксперимента была обусловлена удивительным открытием: оказалось, что при совершении действия и при мысли о нем активизируются одни и те же нейроны головного мозга.

«Это разительно отличается от традиционного взгляда на работу мозга, согласно которому он запрограммирован ранним опытом и по достижении определенного возраста почти не меняется, — говорит Мигель Николелис. — Наш мозг вырабатывает некую модель и постоянно проверяет, можно ли проигнорировать сигналы из внешнего мира, или же нужно принять их для коррекции существующей модели, потому что они несут в себе важную новую информацию. Новый взгляд на мозг заключается в том, что это динамическое устройство никогда не прекращает впитывать информацию для обновления своего содержимого».

Имплантируемая электродная матрица — основа инвазивного нейроинтерфейса. Источник: thefutureofthings.com

Если даже лабораторную мышь можно научить управлять техникой с помощью мысли, чему можно добиться от более высокоорганизованных животных? Управлять целым роботом, да еще и через интернет!

15 января 2008 года. Николелис ставит обезьяну Аврору на беговую дорожку и фиксирует, какие нейроны активизируются при ее ходьбе. Двигательные команды мозга Авроры, находящейся в Duke Medical Center, штат Северная Каролина, США, посредством интернет передаются роботу, расположенному в Японии (Computational Brain Project of the Japan Science and Technology Agency). Обезьяна и робот двигаются совершенно синхронно. Аврора видит движения робота, которым она управляет, на расположенном перед ней экране.

«Самое удивительное, — рассказывает Николелис, — заключается в том, что когда обезьяна остановилась, ей удалось заставить робота идти еще пару минут — просто думая о движении».

Нейроинтерфейс как выход из тюрьмы

Как правило, в опытах с животными используется инвазивный нейроинтерфейс, то есть электродная матрица, имплантированная внутрь черепа, на поверхность коры головного мозга; такому устройству свойственна большая точность по сравнению с неинвазивным аналогом, который представляет из себя шлем с проводами (или без). Можно предположить, что никто добровольно не даст установить в свой мозг компьютерный чип. Однако это не так — инвазивный интерфейс «мозг-компьютер» подарил новые возможности сотням парализованных пациентов по всему миру. Благодаря ему они с помощью мысли смогли писать электронные письма, управлять электроприборами, инвалидной коляской и даже искусственными конечностями.

Когда Эрик Рамси (Eric Ramsey) пришел в себя после страшной автомобильной аварии в 1999 году, он обнаружил, что его тело полностью вышло из-под контроля: он не не мог говорить, не мог пошевелить ни единым мускулом, не мог даже моргнуть. Ученые из Бостонского Университета имплантировали в его мозг «синтезатор речи» — специальный чип, читающий намерение Эрика произнести тот или иной звук и соединенный с компьютером, который этот звук произносит.

«Важность общения в человеческой жизни невозможно переоценить» — комментирует Вильям Хитдеркс (William J. Heetderks) из National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. — Нейрокомпьютерный интерфейс для парализованных и потерявших способность говорить пациентов — это как выход из тюрьмы. Даже лучше».

Стакан воды подаст третья рука, имплант с Google Maps не даст пропасть в лесу

 Нейроинтерфейсы, восстанавливающие зрение, отличаются огромным многообразием: среди них и имплантируемые минителескопы, увеличивающие картинку в несколько раз, чтобы обойти слепое пятно при катаракте; и миниатюрные видеокамеры, посылающие сигнал по зрительному нерву прямо в кору головного мозга; и даже бионические контактные линзы — микросхемы толщиной всего несколько нанометров.

Благодаря зрительным нейропротезам люди, полностью потерявшие зрение, смогли читать и водить машину. Качество картинки пока уступает тому, что видит здоровый глаз, однако этот разрыв стремительно сокращается.

Первые протезы сетчатки глаза, разработанные компанией Second Sight между 2002 и 2004 годами, содержали всего 16 электродов; в 2007 году компания приступила к клиническим испытаниям устройства Argus II с 60 электродами; Argus III содержит уже 240.
Скорость развития интеллектуальных протезов указывает на то, что в ближайшее время они имеют все шансы превзойти по своим качествам обычные органы и части тела. Возможно, совсем скоро силиконовые груди, накладные ногти и пирсинг уйдут в прошлое, а в моду войдут дополнительные руки и ноги, контактные линзы для видения в инфракрасном свете или целые дистанционно управляемые искусственные тела.

«Я не вижу причин, почему бы нейропротезам будущего не подарить нам способности, которыми обделила нас природа и не снабдить мозговой имплант поисковой системой типа Google, например» — заявил профессор психологии Нью-Йоркского Университета Гэри Маркус (Gary Marcus) в своей статье в журнале New York Times (апрель, 2008).

Вытащить себя за волосы из болота с помощью мысли — 300 $, подводный концерт — бесплатно

 States-of-Matter Quintet состоит из гитариста, бас-гитариста, ударника и странного четвертого участника. Это канадский психотерапевт Ариэль Гартен (Ariel Garten), которая не поет, не танцует и не играет ни на одном музыкальном инструменте. Она просто сидит на сцене с сосредоточенным видом, опутанная проводами, и ничего не делает. Это обманчивое впечатление — на самом деле Ариэль играет на синтезаторе, получившем название электроэнцефалофон (electroencephalophone), передавая тому волны своего мозга.

Датчики для снятия электроэнцефалограмы объединены в шлем. Источник: http://www.icad.org

Особенно чистого звучания электроэнцефалофона удается добиться, когда музыканты управляют им из-под воды.

Мощность компьютеров, точность измерений и интерес к технологии интерфейса «мозг-компьютер» экспоненциально росли, и в конце 2009 года устройства наконец вышли на массовый рынок. Базовая модель нейроинтерфейса Epoc от компании Emotiv стоит меньше айфона ($299). Внешне это устройство напоминает футуристичные наушники, снабжено 16 сенсорами, компьютерными играми и жидкостью для очистки линз (чтобы увлажнить сенсоры для лучшего контакта). Epoc передает мысли пользователя компьютеру по Wi-Fi. Устройство способно считывать эмоции владельца (в некоторых играх от них зависит скорость реакции, цвет фона и т.д.), его намерения (для тренировки предлагается вертеть куб на экране компьютера с помощью мысли), а также при желании может передавать его выражение лица аватарам из виртуальной реальности или превращать его в смайлики в чате.

Датчики для снятия электроэнцефалограмы объединены в шлем. Источник: http://www.icad.org

В одной из компьютерных игр для Epoc нужно вытаскивать самолет из болота с помощью мысли, однако пользователи признаются, что мысленный тетрис — куда более сложная работа.

У Epoc есть аналоги — Neural Impulse Actuator (3 электрода, проводной), NeuroSky (1 электрод, проводной) и другие.

Пылесос будущего предпочитает счастливых владельцев

За считанные месяцы потребительские нейроинтерфейсы обросли полезными приложениями. Студенты из MIT (Massachusetts Institute of Technology) написали программу, соединившую iPhone и Epoc. Теперь чтобы позвонить человеку, вам достаточно просто подумать о нем.

Поль Сальнье (Paul Saulnier) из канадского Университета Калгари (University of Calgary) соединил интерфейс для видеоигр NIA (Neural Impulse Actuator) с роботом-пылесосом Roomba. Если Поль испытывал положительные эмоции, пылесос подъезжал поближе, когда был зол или расстроен, Roomba удалялась от него на безопасное расстояние. Робот может понимать не только команды, он может также откликаться на эмоциональное состояние человека, заключает Сальнье.

Научно-исследовательские институты, транснациональные корпорации и военные по всему миру уделяют нейроинтерфейсам все более пристальное внимание. Компания Honda добавила к электроэнцефаллограмме инфракрасную спектрографию — и человек смог мысленно контролировать четыре типа движений знаменитого робота Asimo.

Американские военные из DARPA потратили четыре миллиона долларов на программу «Беззвучный разговор» (Silent Talk), то есть обеспечиваемой нейрокомпьютерным интерфейсом «телепатии».

Совсем скоро в компьютерные магазины должны завезти управляемые нейроинтерфейсом искусственные тела. Дайте ученым еще пару лет для доработки деталей!

«По настоящему интересная наука – та, которая не вылечивает никаких заболеваний и не приносит никаких денег, – говорит нейрофизиолог Константин Анохин. – Мысль учёного всегда стремится вверх, за горизонты, в те области, в которые ещё не протоптаны пути и не проложены дороги, которые далеки от практического воплощения. Но работа в области мозгомашинных интерфейсов как раз и интересна тем, что дистанция между технологическими задачами и глубокими фундаментальными исследованиями практически нулевая. Технологии – стимул для познания работы мозга...Я бы сравнил демонстрацию опытов по чтению мыслей с первой фазой космического проекта. Проблема космических путешествий пока не решена: пройдут десятилетия, прежде чем люди будут свободно перемещаться с одной планеты на другую. Но выход человека в космос свидетельствует, что это возможно. Аналогично и с декодированием мыслей. Эксперименты показывают, что не существует теоретического запрета для выполнения этих задач. Всё остальное зависит от времени и развития технологий».