IT-байки: нейроинтерфейс через 10 лет? Не верю! / Аналитика

&color2Буквально на днях большинство IT-изданий планеты облетела сенсационная новость: оказывается, компания Intel является одним из разработчиков "мозговых сенсоров" для непосредственного - что называется, силой мысли - управления всевозможной электроникой. Более того, согласно информации изданий Physorg и ComputerWorld, непосредственно беседовавших с представителями лаборатории Intel в Питтсбурге, США, компания нащупала технологию для создания прототипа такого "мозгосенсорного" чипа, имплантируемого непосредственно в мозг и позволяющего управлять такими устройствами как компьютер, мобильник, телевизор, плеер, без приложения даже минимальных усилий мускулов. Постоянные читатели рубрики "IT-байки", несомненно, в курсе, что мы внимательно следим за развитием технологий в этой отрасли и в последнее время достаточно регулярно пишем на эту тему. Тем более, для всех нас оказался большим откровением сам факт работы Intel в этой области, не говоря уж о серьёзных успехах. Правда, несколько настораживает отсутствие официальной информации о подобных разработках на сайте компании. И ещё то, что информация о разработке "мозгового чипа" Intel появилась "полуофициально" – первоначально на двух выше указанных сайтах, с лёгкой руки которых и пошла гулять по страницам мировых изданий.

Вот почему, помимо своевременной новостной публикации Intel работает над связью мозг – компьютер, появилось желание как следует покопаться в сути сообщения, отделить информацию от рекламного "шума". И, наконец, выяснить самое главное: насколько проект близок к коммерческой реализации, и сколько времени займёт этот финальный этап.

Прежде всего, стоит развеять страхи и опасения поклонников теорий заговора: чип, имплантируемый в мозги, даже теоретически (по крайней мере, в ближайшее обозримое время) не способен передавать информацию о ваших мыслях Большому Брату. И уж тем более невозможно получать команды извне через этот имплантант для навязывания каких-то мыслей и действий. Аккуратно разбирая по полочкам скудную информацию о разработках Питтсбургской лаборатории Intel, можно выяснить, что для считывания информации о мозговой активности учёные избрали технологию на базе хорошо всем известного метода функционального отображения магнитного резонанса - FMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging).

В упрощённом виде смысл метода состоит в следующем: несмотря на индивидуальные различия в строении мозга каждого человека, процесс мышления, обдумывания одного и того же слова или образа должен вызывать активность в схожих участках мозга. Исходя из этого, учёные пытаются систематизировать проявления реакции мозга с помощью FMRI. Сложностей на этом пути – хоть отбавляй. Прежде всего, основная проблема заключается в том, что до сих пор никто толком не может объяснить принцип работы мозга. Есть возможность регистрировать реакцию отдельных участков коры головного мозга на разные раздражители и явления, но какие при этом проистекают процессы, до конца не выяснено. Вторая, не менее серьёзная проблема – собственные ограничения метода FMRI. По сути, методика функционального отображения магнитного резонанса основана на отслеживании изменений кровяного потока и насыщения кислородом крови в мозгу. Повышение активности нервных клеток приводит к увеличению потребления кислорода в соответствующих областях мозга. Нейроны, как таковые, не имеют собственных внутренних энергетических ресурсов для выработки глюкозы и кислорода, и поэтому их активность ускоряет кровяные потоки в областях нейронной активности, при этом "задержка" составляет примерно 1-5 секунд.

Этот процесс, называемый "гемодинамический отклик", служит базой для наиболее распространённого сегодня метода томографии – отслеживании уровня кислорода в крови - Blood-oxygen-level dependent (BOLD). Работа используемого при этом кровяного контраста – дезоксигемоглобина, основана на том, что гемоглобин представляет собой диамагнетик в насыщенном кислородом состоянии и парамагнетик без кислорода. Таким образом, сигнал магнитного резонанса напрямую зависит от уровня "окисленного" гемоглобина.

В настоящее время, в отличие от основного BOLD-метода FMRI и схожих с ним методов оценки уровня кислорода в мозге по другим косвенным данным, также разрабатываются методы прямого детектирования магнитных полей нейронов. К сожалению, уровень электромагнитного поля, создаваемого "активизировавшимся" нейроном, слаб чрезвычайно, и даже если удаётся выделить что-то похожее на "сигнал", соотношение сигнал/шум при этом оказывается удручающе низким – настолько, что не спасают даже лучшие статистические методы анализа полученной информации. Словом, не поможет даже пресловутая "шапочка из фольги", поскольку если внешние шумы ещё как-то можно экранировать, то избавиться от "побочной" мыслительной деятельности мозга гораздо сложнее.

Что же именно представляет собой пресловутый "мозговой чип" Intel? Питтсбургской лаборатории? Согласно информации Computerworld, учёные из Intel, Питтсбургского университета и университета Карнеги-Меллона работают над разработкой имплантируемого в мозг FMRI-сенсора, способного считывать мозговую активность и декодировать полученные сигналы. Более того, со слов Дэна Померло (Dean Pomerleau), разработчика из Intel, удалось уточнить, что применяемый в их исследованиях метод FMRI основан именно на оценке изменений кровоснабжения мозга. Правда, с дополнительной оговоркой: в специфических областях головного мозга, ответственных за "обдумывание" слов или образов.

Вот на этом месте можно было бы и поставить точку. Для этого достаточно упомянуть, что возможности современной томографии пока ограничены разрешением 2-3 мм и лишь в приближаются к отметке 1 мм. Но дело даже не в этом. Допустим, имеющегося разрешения достаточно для распознавания наиболее простых команд – вроде вправо-влево-клик, для имитации работы мышки. На самом деле подобные разработки уже выходят из лабораторий и применяются в экспериментальных инвалидных колясках, управляемых парализованными людьми. Об этом чуть ниже. Но! В моей голове пока просто никак не укладывается, каким образом разработчики собираются считать сигнал, например, соответствующий букве "А". Разве что "подопытный" будет вынужден двигать "вверх-вниз и вправо-влево" курсор на специфической виртуальной клавиатуре, чтобы в несколько приёмов добраться до необходимой "кнопки" компьютерной клавиатуры. Или пульта ДУ. Наконец, ключевое и главное ограничение, которое, может быть, способно и вовсе похоронить планы использования магнитного резонанса для целей "мозгового управления". Всё дело в фундаментальном ограничении метода – задержке реакции кровяного потока в головном мозге на возросшие потребности нейронов. Задержка с поставкой дополнительного "кислородного питания" для нуждающихся нейронов составляет порядка 1–5 секунд, при этом гемодинамический отклик вырастает до пикового уровня только на 4–5 секунде. Оверклокеры вполне поймут аналогию с системой охлаждения, включаемой по требованию и снижающей температуру системы отнюдь не мгновенно. Вы можете представить себе мышку, автомобильный интерфейс или клавиатуру с 1-5 секундной задержкой нажатия кнопки? Лично я вполне могу, если речь идёт об устройствах для парализованных инвалидов, вовсе лишённых возможности управления какими-либо интерфейсами с мускульным нажатием. В конце концов, пусть хоть по букве в 5-10-30 секунд, но можно будет печатать и таким образом жить полноценной жизнью. Но даже пульт дистанционного управления телевизором, плеером или пылесосом с такой задержкой будет весьма… тормозным. То есть, хорошо бы всё же быть реалистами. Никто сегодня уже не оспорит тот тезис, что "мозговые интерфейсы" реальны, вполне реализуемы на практике и вполне могут найти применение во многих сферах промышленности и быта. Но этично ли при этом, занимаясь исследованиями заведомо "тормозного" метода FMRI, имеющего фундаментальные ограничения, обещать людям чуть ли не замену компьютерных клавиатур – хоть и в необозримом будущем? А ведь обещают…

Вот как описывает вероятный процесс использования мозгового интерфейса выше упомянутый Дэн Померло:

"If we can get to the point where we can accurately detect specific words, you could mentally type… You could compose characters or words by thinking about letters flashing on the screen or typing whole words rather than their individual characters." "Если мы сможем добиться безошибочного распознавания отдельных слов, появится возможность ментального печатания. Можно будет набирать буквы или слова, думая о символах на экране или печатая целые слова быстрее, чем набирая их отдельными буквами".

Вот в этом самом месте, памятуя об особенностях метода FMRI, так и хочется с горечью воскликнуть знаменитое "Не верю!". Взять, к примеру, описываемый в статье пример: если два человека думают об образе медведя, или слышат слово "медведь" или даже медвежье рычание, "нейроснимок" покажет схожую мозговую активность у обоих. Допустим, реакция мозга будет схожей, но при нынешнем развитии технологий нет никакой возможности считывания этих самых нейроснимков. А если учесть сотни исключительно личных ассоциаций, которые промелькнут у каждого в мозгу в последующие доли секунды и в результате сольются в единый результирующий "нейрорисунок" через те самые 1-5 секунд? Какое слово в конце концов отпечатает "ментальная клавиатура" на такой образ – "медведь", "страх", "диарея", "лоперамид" или просто "караул!"? Наконец, высказываясь о следующем этапе исследований – создании "мозгового чипа", Дэн Померло рассуждает о том, что в ближайшее десятилетие люди станут "более расположены" к идее мозговых имплантатов. Вспоминая о недавнем переполохе, которое у определённой группы граждан вызвало простое введение ИНН, можно понять опасения господина Померло и представить, какой начнётся шум, когда появятся "чипованные люди" – "киборги наступают!", "сверхчеловеки!" и так далее. Но при нынешнем уровне развития технологий меня киборги с черепашьей реакцией почему-то не пугают, а, скорее, вызывают жалость.

Ну, как, удалось мне довести вашу мысль до того места, на котором ваши ментальные чипы единогласно выдали бы единственное слово "разочарование"? Ладно уж, не стоит расстраиваться, на самом деле "ментальные чипы" – штука вполне реальная и достижимая. Прежде всего, хотелось бы напомнить о представленной прошедшим летом системе анализа мозговой активности для электрической инвалидной коляски производства компании Toyota, которая интересна очень высокой скоростью считывания – всего 125 миллисекунд. Правда, при этом "водителю" коляски приходится надевать самую настоящую "шапочку" с датчиками, обеспечивающую электроэнцефалографическое сканирование активности мозга.

"Умеет" такая коляска пока немного – лишь интерпретирует команды "вправо", "влево" и "вперёд", но зато делает это практически мгновенно. Это – почти всё, что требуется для вождения такой коляски. Ну, разве что нет сигнала "стоп", который по-прежнему приходится подавать не мысленным усилием, а элементарным надуванием щёк, которое детектируется специальным датчиком на лице и интерпретируется как команда остановки. Многим также памятно видео компании Honda, где парень в шлеме со множеством датчиков управляет "руками" робота Asimo.

Увы, в этом случае речь идёт как раз о той самой задержке в несколько секунд.

Продолжая тему "шапочек из фольги", нельзя не отметить очевидные успехи ученых из центра исследований комплексных вычислительных систем при финской Академии наук. Разработанный здесь компьютерный интерфейс - Brain Computer Interface (BCI), разрабатывается как помощь больным и обездвиженным людям для управления электрическими устройствами и компьютерами посредством мозговой активности. Proact

"Шапочка" в данном случае использует вышеупомянутый метод электроэнцефалографического сканирования активности мозга. К сожалению, публикации по этой теме оканчиваются на сайте финской Академии наук 2007 годом, хотя результаты получались достаточно интересные. Впрочем, в основном речь шла о передвижении курсора вправо-влево и формировании дополнительных управляющих сигналов с помощью других частей тела.

Что касается практической реализации чипа для считывания мозговой активности, имплантируемого непосредственно под черепную коробку, такие эксперименты с переменным успехом ведутся уже давно. В качестве одного из положительных примеров могу упомянуть нейроинтерфейс BrainGate2 разработки Университета Брауна, вылившийся в 2009 году в официально одобренные Администрацией США клинические испытания с участием пациентов-людей в Массачусетском медицинском центре.

Описанию технологии BrainGate2 мы посвятили летом этого года отдельную статью IT-байки: нейроинтерфейс BrainGate - руки и ноги заменит мозг, и, пожалуй, на сегодняшний день этот проект можно назвать наиболее открытым для широкой публики и наиболее понятным. Напомню, что нейроинтерфейс BrainGate Neural Interface System представляет собой беспроводное микроэлектронное устройство для передачи сигналов коры головного мозга на внешний контроллер. Интерфейс состоит из двух модулей – блока датчиков мозговой активности, располагаемого непосредственно в двигательной области коры головного мозга, под черепом, и связанного с ним гибким шлейфом контроллера, располагаемого под кожей головы, на черепе. Контроллер обрабатывает нейроданные и передает их с помощью беспроводного интерфейса на внешний компьютер.

Вживляемый под череп электронный чип состоит из 4х4 мм массива миниатюрных электродных датчиков, предварительных усилителей сигналов сверхмалой мощности и блока аналогового мультиплексирования. Имплантируемая микросистема позволяет вести запись и передачу активности мозга по 16 независимым каналам, преобразуя получаемые сигналы в цифровой поток.

К написанному летом мне пока добавить нечего – на сайте проекта существенных обновлений пока не появилось, однако есть смысл отслеживать их регулярно, похоже, на сегодняшний день эта технология наиболее реальна и меньше других обросла завиральными рекламными обещаниями.

В действительности, во всём мире насчитывается несколько десятков различных компаний, исследовательских коллективов, научных учреждений и их объединений, занимающихся проблемой считывания активности мозга человека и практической интерпретации результатов. В дело идут самые разные методики – магнитный резонанс, электроэнцефалограммы, непосредственный замер активности нейронов и многое другое. Увы, пока что успехи разработчиков в большинстве случаев ограничиваются, интерпретацией двух-трёх команд, и далеко не всегда с приемлемой скоростью. Можно ли сегодня с определённой долей уверенности говорить о том, что лет эдак через 10-15 "ментальные чипы" или хотя бы "шапочки" позволят людям управлять чем-либо сложнее мышки? Позвольте мне - после прочтения множества исследований на эту тему, изобразить по этому поводу очень скептическую мину. Как только в этой области исследований появится что-нибудь действительно революционное и заслуживающее внимания, обещаю быть одним из первых, кто радостно растрезвонит эту новость на весь свет.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения:

- Обсудить материал в конференции