Сергей Шишкин. О будущем нейротехнологий и интерфейсах мозг–компьютер.

Начальник отдела нейрокогнитивных технологий Курчатовского комплекса НБИКС-технологий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

– Что такое нейротехнологии?
– Нейротехнологии — это технологии, которые тем или иным способом работают с нервной системой человека: они позволяют получать информацию о том, что в ней происходит, или обеспечивают воздействие на нее. Чаще всего нейротехнологии создаются для лечения заболеваний нервной системы и для восстановления функций, утраченных из-за болезни. Но существуют и перспективы их использования для расширения возможностей человека.

Например, многие слышали про интерфейсы «мозг — компьютер» — это устройства, с помощью которых мозг может напрямую отдавать команды компьютеру или роботу. В обычной работе с компьютером мы используем так называемый пользовательский интерфейс, в состав которого, в частности, могут входить клавиатура и мышь, или, скажем, тачскрин. Хотя основное назначение компьютера — помогать нам в интеллектуальной деятельности, для ввода в него информации и отдачи ему команд с помощью этих устройств мы должны использовать наши мышцы. А вот интерфейс «мозг — компьютер», как можно понять из названия, обеспечивает прямое взаимодействие мозга с компьютером: он позволяет отдавать ему команды, буквально не пошевелив и пальцем.

К нейротехнологиям относятся и разработки, связанные с восстановлением функций органов чувств. К примеру, Food and Drug Administration (Управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, США) не так давно одобрило устройство BrainPort, которое позволяет буквально видеть языком. Изображение фиксирует небольшая камера, прикрепленная к очкам. Данные с нее поступают на специальное устройство, которое как бы проецирует картинку на язык при помощи множества электродов, накладываемых на него. В этой остроумной технологии используется способность наших сенсорных (воспринимающих) систем обучаться восприятию непривычной для них информации. Конечно, это устройство не обеспечивает полное восстановление зрения, но благодаря ему незрячие люди могут ориентироваться в окружающем их пространстве.Иногда к нейротехнологиям также относят машинный интеллект, использующий принципы, «подсмотренные» в нервной системе.

– Чем занимается отдел нейрокогнитивных технологий Курчатовского института?
– Мы разрабатываем такие разновидности нейротехнологий, в которых используются знания из когнитивных наук — наук о процессах, которые лежат в основе разума. Когнитивные науки оперируют, в частности, такими понятиями, как язык, память, внимание, намерение, принятие решений. Одна из наших основных задач — исследование мозговых механизмов появления намерения выполнить то или иное действие и применение полученных знаний для разработки новых интерфейсов «мозг — компьютер». Кроме того, в отделе разрабатываются технологии взаимодействия человека с роботами и компьютерными виртуальными агентами (которые могут выглядеть, например, как анимированный аватар) с использованием естественного человеческого языка и жестов, в том числе эмоционально окрашенных.

– Какие бывают интерфейсы «мозг — компьютер»?
– Все существующие интерфейсы «мозг — компьютер» можно разделить на две группы: инвазивные и неинвазивные. В инвазивных интерфейсах электроды помещают на поверхности мозга или вводят прямо в мозг. Когда электроды находятся в мозге, информацию можно считывать непосредственно с нервных клеток в виде электрических сигналов. Ученые обучают машинный интеллект распознаванию характерных рисунков (паттернов) в этих сигналах, которые соответствуют намерению отдать ту или иную команду, а мозг — умению вырабатывать такие паттерны, которые могут быть как можно быстрее и точнее распознаны машинным интеллектом. Особенно впечатляющих результатов на этом направлении добились специалисты из Питтсбурга. Они провели операцию женщине, парализованной ниже шеи — она могла говорить, но не могла двигаться. Вживив пациентке электроды, они в течение нескольких месяцев с помощью специально разработанных методик обучили женщину выполнять роботизированной рукой разнообразные движения, в том числе довольно сложные и точные, и этим частично восстановили ее двигательную функцию.

Однако любое вмешательство в мозг пока что весьма опасно, поэтому в подобных исследованиях операторами интерфейса сейчас становятся лишь тяжело больные людях, которым невозможно помочь другим способом, или обезьяны и другие животные. Но и больные, и даже здоровые люди могут работать с неинвазивными интерфейсами «мозг — компьютер», в которых используются совершенно безопасные методы получения сигналов из мозга. В этом случае электроды помещают на поверхности кожи головы — как ни удивительно, там также можно уловить электрическую активность мозга, в виде так называемой электроэнцефалограммы. К сожалению, в электроэнцефалограмме смешиваются между собой сигналы от разных нервных клеток и даже от разных областей мозга, они ослабляются, пока идут от мозга к коже, и «зашумляются» сигналами немозгового происхождения, например, связанные с сокращениями мышц и с морганием. Поэтому возможности неинвазивных интерфейсов значительно более ограничены, они медленно срабатывают и часто ошибаются. Но ученые продолжают совершенствовать эти системы, расширяют их возможности, делают более управляемыми.

– Где используют интерфейсы «мозг — компьютер»?
– Инвазивные интерфейсы предназначены в первую очередь для людей, чьи мышцы парализованы, но при этом когнитивные функции уцелели: такие пациенты думают, адекватно воспринимают мир, понимают окружающих, и невозможность двигаться и взаимодействовать с близкими приносит им тяжелые страдания. Пока что инвазивные интерфейсы находятся на экспериментальной стадии, но очевидно, что со временем их использование станет значительно менее опасным и более доступным для пациентов.

Неинвазивные интерфейсы также разрабатывают, прежде всего, для помощи парализованным людям. Так, делаются попытки создавать экзоскелеты (внешние каркасы, повторяющие человеческие движения и восполняющие утраченные функции, например, способность ходить — прим. сайта), хотя бы частично управляемые нейроинтерфейсами. Это устройство может совершать движения частично в автоматическом режиме, но важно, чтобы оно также откликалось на желания человека. Уже сегодня неинвазивные нейроинтерфейсы начинают использовать при реабилитации людей после инсульта, когда больные заново учатся совершать некогда привычные действия, например, двигать рукой. Обычно им поначалу помогают медсестры или родственники, но для восстановления нормальной работы мозга по управлению движениями важно, чтобы и сам пациент как можно раньше включался в эту работу. Нейроинтерфейс способен уловить, когда человек сам хочет совершить движение, и передать команду роботизированной системе, которая и помогает выполнить желаемое, к примеру, поднимает руку больного. Исследования еще не дали однозначный ответ насчет эффективности таких методик, но уже полученные данные говорят в пользу того, что они могут повышать успешность восстановления после инсульта.

А наиболее широкое применение на сегодняшний день нейроинтерфейсы нашли в играх. При использовании нейроинтерфейса мы управляем игрой с помощью мысли, оставаясь при этом неподвижными. Более того, для выполнения некоторых активных действий может требоваться как можно больше расслабиться. Нейроинтерфейсы подключают как к компьютерным играм, так и к игрушкам, способным физически перемещаться в пространстве — например, игрок получает возможность «силой мысли» управлять небольшим дроном. Чем-то такое действие напоминает волшебство. Очевидно, за это ощущение такие игры и пользуются популярностью.

Надо сказать, что разработчики подобных технологий нередко утаивают то, что основным управляющим сигналом в них далеко не всегда являются сигналы мозга: они могут в первую очередь откликаться на уровень напряжения мышц или, к примеру, на частоту морганий. Однако эти показатели тоже тесно связаны с изменениями состояния мозга, поэтому в каком-то смысле в этом случае тоже можно говорить о нейротехнологиях, пусть и не об интерфейсах «мозг — компьютер» в строгом смысле этого слова.

– В чем особенности интерфейсов «мозг — компьютер», которые разрабатывает ваш отдел?
– Основное направление нашей работы — создание новых технологий на основе объединения возможностей интерфейса «мозг — компьютер» и других технологий, и, прежде всего, управления компьютером с помощью взгляда.

Суть такого управления заключается в следующем. Обычно, когда мы хотим взять в руки какой-то предмет или что-то сделать с ним, мы сначала смотрим на него. Когда мы работаем за компьютером, то, прежде чем нажать на иконку программы или ссылку, мы переводим на них взгляд. Можно поставить перед человеком видеокамеру, навести ее на зрачки глаз и по ним определять, в какое конкретно место на экране смотрит человек в данный момент. Тогда, чтобы перейти по ссылке, можно просто немного задержать на ней взгляд — это будет равносильно щелчку мышки.

Уже сегодня существуют экранные клавиатуры для парализованных людей, работающие по такому принципу. И надо сказать, многим из их пользователей удается довольно быстро печатать на них, задерживая взгляд на нужных буквах. Однако мы не можем управлять взглядом точно так же, как и руками. Как ни странно, чаще всего люди даже не замечают, на чем останавливается их взгляд. И если перед нами не экранная клавиатура, а более сложная среда, в которой многое может непроизвольно привлечь наше внимание, взгляд будет часто выходить из-под контроля и, например, «щелкать» по тем ссылкам, по которым мы вовсе не собирались переходить.

В одном из наших проектов мы решили попробовать различать случаи, когда человек смотрит на ссылку или экранную кнопку для того, чтобы «щелкнуть» по ней, и такие, когда он смотрит без всякого специального намерения, просто разглядывая экран или задумавшись. Оказалось, что неинвазивный интерфейс «мозг — компьютер» может различить состояния мозга в этих двух случаях, анализируя особенности электроэнцефалограммы во время задержек взгляда и немедленно сообщая, нужно ли выполнить «щелчок» в той позиции, куда направлен взгляд. Пока что точность распознавания команды пользователя невысока, но мы только в начале пути, и, по-видимому, эта технология может быть значительно улучшена. По нашим оценкам, есть хорошие шансы создать на ее основе новое устройство, с помощью которого компьютером можно будет управлять, оставаясь неподвижным и даже полностью расслабленным. Возможно, это позволит существенно увеличить интеллектуальную продуктивность в некоторых видах деятельности, связанной с использованием компьютера.

– Как будут развиваться нейротехнологии в ближайшем будущем?
– В последние годы в мире вкладываются очень большие средства в развитие и самих нейротехнологий, и лежащих в их основе нейронаук. Это уже дает результаты: появляются новые возможности взаимодействия с мозгом, о которых совсем недавно можно было только мечтать, быстро расширяется набор методов, которые можно будет использовать как в исследованиях, так и в основе технологий. Очевидно, что с каждым годом мы будем все больше знать о мозге, и у нас будет все больше кирпичиков, из которых можно строить новые нейротехнологии.

– Какое образование должно быть у специалиста в области нейротехнологий?
– Нейротехнологии — область с очень высоким уровнем междисциплинарности. Чтобы в ней хорошо ориентироваться, нужно разбираться и в нейрофизиологии, и в математических методах, и, в зависимости от направления работы, в науках о материалах, в инженерии, в компьютерных технологиях и программировании, в молекулярной биологии, в психологии. Все это одновременно невозможно изучить на хорошем уровне, поэтому я бы посоветовал подростку выбирать в качестве основного то образование, к которому у него лежит душа. Например, участники наших проектов имеют базовое образование нейрофизиолога, психолога, математика, физика, лингвиста, а некоторые самостоятельно, но на очень хорошем уровне освоили программирование. Но в других областях науки и инженерии, с которыми связана разработка новой технологии, участнику проекта, безусловно, тоже надо в той или иной мере разбираться. И если вы хотите сами изобрести и реализовать в работающей нейротехнологии нечто совершенно новое, то, даже имея возможность сотрудничать со специалистами во всех нужных областях, вам придется и самому погружаться во все компоненты этой технологии и в соответствующие области научных знаний.

– Какие черты характера должны быть у специалиста по нейротехнологиям?
– В дополнение ко всему тому, что требуется от любого исследователя и разработчика, в этой области особенно важно иметь широкий кругозор, уметь воспринимать большие объемы очень разнообразной информации, быстро осваивать новые понятия и приемы работы. А необходимость много взаимодействовать со специалистами из различных областей науки и технологий означает, что нужно уметь понимать других людей, нередко использующих системы представлений о мире, очень отличающиеся от тех, к которым ты привык, и уметь доносить до них свои представления.

– Что вы могли бы посоветовать почитать и посмотреть подросткам, которые хотят больше узнать о нейротехнологиях?
– Сейчас есть немало интересных научно-популярных сайтов, например, сайт «Постнаука», где есть хорошие разделы по нейронаукам, нейротехнологиям и по смежным дисциплинам. Можно посмотреть — как на этом сайте, так и на других ресурсах в интернете — лекции нейробиолога Константина Владимировича Анохина из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», а также нейрофизиолога и нейротехнолога Александра Яковлевича Каплана из МГУ им. М.В. Ломоносова. Поскольку уровень нейронаук в России в целом пока что заметно уступает западному, очень стоит использовать зарубежные учебные ресурсы, такие как сайт Coursera: хотя он ориентирован прежде всего на студентов, многие курсы окажутся доступными и для школьника.