Александр Яковлевич Каплан. О применении нейротехнологий, анализе больших данных и кибернизированных спортсменах

Александр Яковлевич Каплан
Профессор, доктор биологических наук, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

– Что такое нейротехнологии?
– Нейротехнологии — это совокупность новейших методов и инструментов, создаваемых на основе объединения знаний из науки о мозге с достижениями в области информатики, кибернетики, механотроники, материаловедения, которые способствуют получению новых знаний о мозге, а также позволяют восстанавливать, сохранять и увеличивать его ресурсы. Условно все нейротехнологии можно разделить на «информационно-аналитические» и «медико-биологические», которые, конечно же, тесно связаны между собой. Если первые нацелены в основном на «добывание» информации о мозге, то вторые — на использование этой информации для оптимизации его деятельности. Например, с помощью томографов высокого разрешения одни ученые строят очень точные карты мозговых структур и их функциональных отношений, другие — разрабатывают ультрасовременные способы доставки лекарств или микроинструментов в зону поражения, третьи с помощью биохимических методик создают подходы к ранней диагностике заболеваний мозга и т. д., словом, выстраивается целый нейротехнологический конвейер. И число таких конвейеров с каждым годом увеличивается на порядки. Каждый из них по мере своей работы не только «лечит» или «восстанавливает» мозг, но и изучает его.

Пришло время, когда массивы данных о деятельности мозга превысили всякие пределы человеческих возможностей одновременно их охватывать и анализировать. Лавинами новых данных начало заваливать ученых разных специальностей, от биологов до астрофизиков. Вполне естественно, что ученым, в первую очередь математикам, пришлось разработать специальные подходы для анализа так называемых «больших данных», которые уже не поддавались глубокому анализу даже с применением высокопроизводительных машин. Это и понятно, до последнего времени машины помогали только обрабатывать и группировать данные, а установление связи между ними было результатом прозорливости ученых. Появилась целая наука об анализе данных (англ. data science), которая занимается проблемами анализа, обработки и представления данных в цифровой форме. С накоплением знаний о мозге становится неудивительным, что новые компьютерные методы извлечения содержательной информации из потоков данных начали строиться на моделях естественной их обработки в мозге человека. К примеру, одним из таких самых передовых методов машинного анализа данных стал нейротехнологичный метод так называемого глубинного обучения (англ. deep learning), когда сети из простых вычислительных элементов выискивают закономерности в больших данных, постоянно перестраивая свою структуру, пока не получат результат.

– Какие самые крупные проекты по изучению мозга?
– Пожалуй, самое масштабное исследование в Старом Свете — это проект «Человеческий мозг» (англ.  The Human Brain Project, HBP), основанный в 2013 году в Швейцарии и объединяющий сотни учёных из 24 стран мира и 116 партнерских институтов. Проект HBP ставит своей целью создать первую в мире модель мозга человека и является беспрецедентным по масштабам и бюджету (1,6 млрд. $).

Вслед за Европой в гонку нейротехнологий включились и США с проектом BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), с бюджетом около 4 млрд долларов. Проект нацелен на создание «функционального коннектома» — живой карты активности нервной системы в реальном времени.

Китай, Япония и целый ряд других стран тоже не остались в стороне от нейротехнологических начинаний.

– Проводят ли подобные исследования в нашей стране?
– Крупнейшее фондовое открытие на российском горизонте нейротехнологий — это направление «Нейронет» в рамках Национальной технологической инициативы (https://asi.ru/nti/), реализуемой главным образом Агентством стратегических инициатив. Согласно этой инициативе, в ближайшие 20 лет всестороннее развитие нейротехнохнологий в различных сферах, начиная от медицины и заканчивая компьютерными играми, становится одним из приоритетов государственной политики нашей страны.

«Нейронет» уже выдал свой первый нейротехнологический мегапроект CoBrain. В отличие от зарубежных проектов, о которых я рассказывал, CoBrain будет сосредоточен на поиске возможностей восстановления, сохранения и расширения ресурсов человеческого мозга, в первую очередь за счет его эргономичной интеграции в техносферу. Проект объединит десятки лабораторий, данные которых соберут в единую базу. Реализацией проекта займутся ведущие в РФ ученые и организации, в частности — Сколковский институт науки и технологий.

– В каких областях нейротехнологии наиболее востребованы?
– В первую очередь, это медицина и фармакология. Во-первых, нашими «клиентами» являются люди, страдающие рассеянным склерозом, поражающим оболочки нервных волокон головного и спинного мозга, а также болезнью Альцгеймера, которая приводит к потере памяти, нарушению речи и угнетению познавательных способностей и обычно развивается у людей в пожилом возрасте. Поскольку население планеты стареет, больных становится все больше. К сожалению, современные препараты могут лишь уменьшить симптомы болезни, но не обратить их вспять. Поиск лекарства от старческого слабоумия — одна из основных задач нейрофармакологии.

Но найти лекарство недостаточно, его еще нужно доставить в определенную область мозга. Когда человек выпивает таблетку, действующее вещество распределяется по всему телу, влияя не только на «цель», но и на другие органы. Порой неприятных побочных реакций от препарата больше, чем пользы, и лечение приходится прекращать. Следовательно, наша задача — найти не только средство, но и способ доставки его к мишени.

Еще одна группа людей, которой нейротехнологии способны облегчить жизнь, — пациенты, которые потеряли способность двигаться, говорить, а иногда и то и другое. Статистика говорит, что ежегодно в России происходит 400–500 тысяч инсультов. Многие пациенты, перенесшие острое нарушение мозгового кровообращения, остаются в живых, но не полностью восстанавливают двигательные функции. Кроме того, потеря речи или возможности управлять своим телом может произойти из-за черепно-мозговой травмы и т. д. Получается, два-три миллиона человек нуждаются в нашей помощи. Такие пациенты лишаются даже возможности не только движения, но и общения.

К счастью, во всем мире и в РФ стартовали работы по созданию нейротехнологий контакта с мозгом человека, чтобы передать его команды напрямую к исполнительным устройствам: приводам инвалидного кресла, буквопечатающим устройствам, к пультам домашних приборов — это так называемые интерфейсы «мозг — компьютер».

В моей лаборатории в МГУ им. М.В. Ломоносова, к примеру, уже созданы нейроинтерфейсы для набора текстов на экране компьютера без помощи движений, напрямую от мозга, на основе расшифровки биопотенциалов, регистрируемых с поверхности головы. Один из моих аспирантов разработал прямое управление от мозга для кресла-вертикализатора, позволяющего перемещать парализованного пациента в вертикальное положение. Достаточно такому пациенту дать мысленную команду, и расшифрованный в биопотенциалах сигнал запустит соответствующий моторчик. Теперь пациенту не надо просить кого-то нажать кнопку вертикализации — он это сделает своим мысленным усилием.

Сейчас планируем обеспечить мысленным управлением «умные дома», что, возможно, окажется востребованным и здоровыми людьми.

– Нейроустройства способны прочитать любую мысль?
– У ученых есть вполне обоснованное мнение о том, что мысли в принципе не поддаются чтению на основе анализа электрической активности мозга. В этом нет ничего удивительного, биопотенциалы мозга являются отзвуками всего лишь обобщенных, главным образом эмоциональных, состояний мозга, но никак не «морзянкой» мыслей, которую можно расшифровать соответствующим ключом. Даже если мы приложим к голове испытуемого две сотни электродов, эти две сотни кривых биопотенциалов не смогут различить мысленные образы апельсина и паровоза.

– Нейроисследованиями в каких областях, помимо медицины и фармы, занимается ваша лаборатория?
С помощью нейротехнологий на основе регистрации биопотенциалов мозга мы научились улавливать мысленные представления движений, например, намерение поднять правую или левую руку, двинуть ногами. Если предварительно натренировать алгоритм классификации этих состояний, то его потом можно использовать для обнаружения этих 3–4 намерений по ходу непрерывной регистрации электрической активности мозга. Подобный интерфейс можно приспособить для управления бытовыми приборами, манипуляторами, тренажерами двигательной функции. Только что стартовал наш проект «НейроЧат». Он не для лечения, не для реабилитации — это не медицина. Но он для миллионов людей, которые по тем или иным причинам потеряли способность к общению. Это социальный проект, который с помощью последних достижений в области нейротехнологий позволит таким людям подключиться к социальным сетям мысленными усилиями. Здесь нет мистики, я уже говорил о нейрокоммуникаторах на основе регистрации биопотенциалов мозга. У нас они одни из лучших в мире.

Сейчас мы тестируем наши коммуникаторы в Городской клинической больнице №1. Конечно, пациенты работают с ошибками. В лучшем случае всего 5% ошибок, бывает и 25%, но мало-помалу текст у них получается. «НейроЧат» позволит парализованным людям полноценно пользоваться интернетом и общаться со всем миром. Я думаю, мы создадим специализированную социальную сеть для пациентов, где они смогут беседовать друг с другом. В программу будут встроены переводчики, поэтому будет неважно, из каких стран собеседники. Кроме того, из программы можно будет выйти в «большой мир» — в ней будут предусмотрены окна, через которые можно будет попасть в другие популярные соцсети, например, Facebook. Помимо того, что нейрочат сделает жизнь парализованных людей комфортнее, благодаря ему такие люди смогут найти работу, например, программистом. Такое устройство сложнее создать, чем клавиатуру, управляемую силой мысли, ведь пациентам нужно будет проходить по гиперссылкам, получать и отправлять файлы. При этом мы хотим сделать устройство не только удобным для пользователей, но и привлекательным внешне — над гарнитурой работает команда Владимира Пирожкова — одного из лучших российских промышленных дизайнеров. Планируется уже в следующем году представить прототип устройства и продемонстрировать его работу: пациенты из разных городов будут общаться друг с другом.

– Как здоровые люди могут использовать нейротехнологии?
– Нейроустройства могут быть нашими помощниками и участвовать в профилактике различных заболеваний. Дело в том, что наш мозг находится в зоне особой опасности. За последние 50–60 тысяч лет мозг человека не изменился по своим возможностям, но в окружающем нас мире произошли кардинальные перемены. Катастрофически возросли информационные нагрузки от многочисленных мультимедийных источников и количества потребляемой информации. Наш мозг оказался не готов к такой лавине данных. Возможно, именно с этим связано резкое увеличение психических расстройств. Депрессиями, психозами и т. д. страдают люди в любом возрасте, в том числе дети. Если мы предположим, что трудоспособного населения в какой-то стране — 100 миллионов, то вскоре 50 миллионов из них будут страдать от депрессии, невротических срывов.

Я вижу два подхода для облегчения деятельности мозга в современных условиях. Во-первых, можно заранее отфильтровывать поступающую информацию, по ходу дела автоматически удаляя ненужные на данный момент сведения и удобно сортируя нужные. Например, мой стол завален бумагами, но я в них прекрасно ориентируюсь. Однако другой человек потратил бы немало времени, прежде чем разобрался, где нужная ему информация. Аналогичная ситуация с компьютером: пользователь может смотреть на экран и, напрягаясь, долго искать требуемые данные. А ведь программа могла бы сама обработать информацию: удалить ненужные картинки, сгруппировать цифры, подсветить столбцы с ними разными цветами — то есть сделать данные максимально усвояемыми для мозга. Только откуда этой программе знать, что именно в данный момент требуется мозгу. Вот здесь и подойдет специализированный нейрокомпьютерный интерфейс, назовем его «НейроОрганайзер»! Во-вторых, можно отслеживать текущее состояние мозга. Ведь в одно время голова у нас свежая, и мы с удовольствием узнаем новое, а в другое — испытываем напряжение, и избыток информации может навредить. Даже смартфон умеет вовремя сообщать, что он перегрелся. Аналогичная обратная связь нужна нашему мозгу: прибор, который бы вовремя обнаруживал сильное напряжение и включал сортировку информации, чтобы человек мог отдохнуть.

Мы уже сегодня готовы создать «НейроОрганайзер», в котором сигналы мозга используются не просто для регулирования режимов подачи информации, но и для управления внешними объектами.

– Какое высшее образование лучше получить, чтобы стать специалистом в нейротехнологиях?
– На сегодняшний день не существует специализированной базовой подготовки для нейротехнологов, максимум — магистерские программы. В нашу лабораторию нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов, которая относится к кафедре физиологии человека и животных МГУ, приходят выпускники нашей же кафедры, а также инженерных вузов, физики, математики, и даже врачи и молекулярные биологи. Нейротехнологии требуют работников на стыке специальностей. У наших аспирантов есть инженерные навыки, они умеют программировать, понимают математические основы декодирования сигналов, в то же время они прекрасно знают, как работает мозг, как и куда нужно поставить электроды. Такой широкий спектр навыков приобретается только в мультидисциплинарных лабораториях. В результате — нам удается создавать эффективно работающие интерфейсы.

Конечно, помимо нашей лаборатории есть и другие места, где человек может получить образование в области нейротехнологий. К примеру, на базе МФТИ, в МИФИ, в МГТУ им. Баумана готовят специалистов для нейротехнологий. Другие города не отстают: на базе Самарского государственного медицинского университета открылась лаборатория нейрокомпьютерных интерфейсов. В Нижнем Новгороде есть кафедра нейродинамики и нейробиологии на базе биологического и радиофизического факультетов ННГУ. Также лаборатория нейробиологии и медицинской физики есть в БФУ имени Канта.

– По какому принципу вы отбираете аспирантов?
– У меня нет каких-то специальных принципов отбора аспирантов. Я заключаю со студентами устный договор о сотрудничестве на один год. Этого срока достаточно, чтобы человек понял, нравится ли ему заниматься нейротехнологиями, и способен ли он продемонстрировать свой интерес к предмету. К примеру, все мои аспиранты работают с компьютером, но меня особенно заинтересует студент, который не поленится разобраться, почему программа не работает, или отчего возникла ошибка в данных. Для этого не надо быть программистом или математиком, достаточно обладать сноровкой научного поиска. Также важны знания английского, ведь подавляющее большинство научных статей написаны на этом языке.

Наш договор работает в обе стороны: спустя год студент может сказать, что ему не понравилось, и он запросто может перейти в другую лабораторию. Есть и особенность, у нас нет возможности выполнять учебные работы. Все студенты и аспиранты трудятся и учатся на реальных проектах, а я, разумеется, консультирую их и поддерживаю.

– Будут ли нейротехнологии востребованы в ближайшем будущем?
– Думаю, что спрос на нейроразработки будет расти. Проблема в том, что рынок еще не знаком с такими новинками. Это и понятно. Когда-то и паровоз казался бесполезным новшеством, ведь чтобы он ехал, нужны были рельсы, а их-то еще и не было. Паровозу прокладывали рельсы. Так будет, по-видимому, и с нейротехнологиями. Только рельсы должны им прокладывать ученые вместе с журналистами. Нужно больше рассказывать и писать о нейроустройствах, демонстрировать их работу. Люди почувствуют пользу, выявятся зоны наибольшего интереса, нейротехнологии станут широко востребованы. Станут ли они настоящими «паровозами», или им уготована роль подсобных устройств — покажет время.

– Какие есть мероприятия для популяризации нейротехнологий?
– В Цюрихе проводится соревнование «Сайбатлон» (Cybathlon) — нечто похожее на Параолимпийские игры, только не ради спорта, а для поиска и апробации наилучших технологий для разного рода пациентов. Участники пользуются нейроразработками своих стран, так что это не только состязания в силе и ловкости самих спортсменов, но и соревнования в качестве биопротезов, экзоскелетов и инвалидных колясок различных компаний. Россия приняла в них участие и в разных дисциплинах заняла 4-ое, 5-ое и 6-ое места из 12 возможных мест.

«Сайбатлон» — интересное мероприятие, но, к сожалению, оно проводится всего один раз в четыре года, да еще за границей. В России решили, что подобные соревнования должны проводиться чаще — хотя бы раз в два года. Поэтому в нашей стране скоро будут свои соревнования кибернизированных спортсменов под названием — «Кибатлон», в которых смогут принять участие люди со всего мира.

– Чем может заняться специалист в нейротехнологиях, решивший себя попробовать в чем-то новом?
– Если этот специалист проявил себя в программировании, то он может устроиться разработчиком или программистом для любых систем управления или распознавания образов. Думаю, это сейчас больше половины рынка. Все-таки в IT-сфере смотрят не на образование, а на практический опыт. Если же это нейротехнолог-нейрофизиолог, то он пригодится в любой нейрофизиологической или клинической лаборатории, где изучают мозг.

– Что вы могли бы посоветовать почитать школьникам, которые хотели бы больше узнать о нейротехнологиях?
– Думаю, что важно не столько, какая именно книга рекомендована, сколько отношение читателя к содержанию книги. Я бы порекомендовал с особым вниманием относиться к идеям, задумываясь при этом, как ту или иную идею можно проверить. Хорошие книги всегда содержат и то и другое в правильной пропорции. Есть ряд книг, которые с удовольствием проходят все мои студенты и аспиранты.

  • «Живой мозг», Грей Уолтер;
  • «Как мы видим то, что видим», Вячеслав Демидов;
  • «Человеческий мозг. От аксона до нейрона» Айзек Азимов;
  • «Мозг, разум и поведение», Флойд Блум, Арлайн Лейзерсон, Лора Хофстедтер;
  • «Мозг и вычислительная машина», Алекс М. Эндрю; 
  • «Мой мозг. Строение, принципы работы, моделирование», Юрий Косяков;
  • «Мозг и душа», Крис Фрит;
  • «Эволюция человека. Обезьяны. Нейроны и душа», Александр Марков;
  • «Перегруженный мозг. Информационный поток и пределы рабочей памяти», Торкель Клингберг;
  • «Странности нашего мозга», Стивен Джуан;
  • «Вся правда о мозге. Популярная неврология», Шпицер Манфред;
  • «Зеркала в мозге. О механизмах совместного действия и сопереживания», Джакомо Риццолатти;
  • «Интеллектика. Как работает ваш мозг», Константин Шереметьев;
  • «Тайны нашего мозга, или Почему умные люди делают глупости», Сандра Амодт, Сэм Вонг.