Борис Владимирский
Достижения в области оборудования и программного обеспечения для снятия электроэнцефалограмм позволяют получать сигналы хорошего качества в динамике. Фото Андрея Ваганова
В конце 30-х годов XX века австрийским психиатром Гансом Бергером был разработан строго научный метод, известный как электроэнцефалография (ЭЭГ), который позволил изучать природу процессов, протекающих в структурах мозга человека. Этот метод отчетливо продемонстрировал, что в ЭЭГ обнаруживаются маркеры, отражающие особенности функционирования как больного, так и здорового мозга человека. Создание многоканальных и эргономичных систем регистрации ЭЭГ, развитие информационных технологий, обеспечившее возможность анализа многомерных сигналов сложной формы в режиме реального времени, позволили перевести идею использования ЭЭГ для управления внешними устройствами, в частности, персональным компьютером, в сугубо практическую плоскость.
Сила мысли вполне реальна
Реализация этой идеи в виде устройств, обеспечивающих прямую связь мозга человека, утратившего обычные каналы коммуникации с внешним миром, но обладающего сознанием, о чем можно судить по характеру биоэлектрической активности мозга, перешла в практическую плоскость в конце XX столетия. Травмы спинного и головного мозга, церебральный паралич, мышечные дистрофии, рассеянный склероз, заболевания органов зрения и слуха – все это создает серьезные трудности и даже практическую невозможность реализации привычного взаимодействия с пациентами, страдающими такими патологиями. По некоторым данным, в мире много десятков миллионов таких больных. Их жизненно важные функции зачастую поддерживаются аппаратными средствами. При этом возникает много не только экономических и юридических, но сугубо этических и нравственных проблем.
В последние 20–25 лет во многих развитых странах интенсивно ведутся исследования и разработки методов и средств, позволяющих людям с тяжелыми двигательными и речевыми патологиями улучшить качество жизни: управлять инвалидной коляской или использовать виртуальную клавиатуру компьютера. Появился новый термин – интерфейс мозг-компьютер, ИМК (в англоязычном варианте Brain-computer interface, BCI). Под ним понимают комплекс, который «превращает» электрическую активность мозга в конкретное действие. При этом тело (в том числе спинной мозг) человека в этом процессе не участвуют.
Уже реализованы попытки использования этой технологии для управления нейропротезами или техническими устройствами типа инвалидного кресла. Наряду с биоэлектрической активностью, регистрируемой от поверхности головы человека (неинвазивные системы), в разрабатываемых системах ИМК стали использовать регистрацию импульсной активности нейронов и их групп погруженными в мозг микроэлектродами, функциональную инфракрасную спектроскопию и магнитно-резонансную томографию. Конечная цель создания таких систем – обеспечение человечества принципиально новым каналом коммуникации и контроля, последствия появления которого в полном объеме сегодня даже сложно предугадать.
Сразу следует оговориться, что наиболее широко используемый метод, основанный на ЭЭГ-сигналах, лимитируется рядом факторов.
Во-первых, ЭЭГ в значительной степени неспецифична, поскольку представляет собой результат суммирования активности многих нейронов, которая к тому же существенно искажается за счет сложной пространственной геометрии и анизотропии свойств мозга и головы, зависит от функционального состояния нейронных сетей мозга. Поэтому возможность распознавания единичного сообщения или команды, зашифрованной в ЭЭГ, крайне маловероятна.
Во-вторых, ЭЭГ-коммуникация требует идентификации многомерных паттернов в реальном масштабе времени. Это даже при использовании современных вычислительных средств требует значительных временных затрат.
В-третьих, пользователь должен генерировать идентичные команды управления в форме устойчиво воспроизводимых паттернов ЭЭГ.
На эффективность алгоритмов ИМК сильно влияют также изменения нейронных сигналов, обусловленные изменениями состояния человека, использующего этот интерфейс. Это существенно ограничивало полезность и приемлемость ИМК как в медицинской, так и в немедицинской области.
Мозговые импланты
ИМК, использующие регистрацию ЭЭГ, в силу указанных выше недостатков привели к появлению лозунга «Убирайся из лаборатории в реальный мир!». И это стало основной целью совершенствования ИМК. В этом контексте принципиально важным является качество сигнала. Запись высококачественных данных в условиях амбулаторного или мобильного доступа – очень сложная задача, поскольку движения, а также динамическая среда затрудняют анализ данных. Последние достижения в области ЭЭГ-оборудования и разработки программного обеспечения позволили получать сигналы хорошего качества в динамике.
Несмотря на впечатляющий прогресс, современные системы ИМК на основе либо инвазивных, либо неинвазивных методов еще не могут использоваться пациентами с таким же уровнем независимости, что и другие вспомогательные технологии. Эти системы требуют постоянной поддержки со стороны специалистов.
Существенной проблемой для клинической нейрореабилитации таких состояний, как инсульт, повреждение спинного мозга и черепно-мозговая травма, является отсутствие удовлетворительных средств для восстановления утраченных моторных функций. Необходимы новые эффективные методы, чтобы заполнить этот пробел и обеспечить значимое функциональное восстановление пациентов. ИМК все чаще рассматриваются как одно из таких средств. В частности, ИМК могут служить в качестве нейропротезов для замены утраченной двигательной функции у пациентов с полным параличом. В качестве альтернативы ИМК могут выступать как инструмент, который облегчает механизмы восстановления нервной системы для улучшения остаточных моторных функций у пациентов с частичным параличом.
Кроме того, в настоящее время в разных странах проходят клинические испытания имплантированных ИМК с целью восстановления функции верхней конечности, утраченной после травмы или заболевания. На сегодняшний день в большинстве исследований используются внутрикортикальные микроэлектроды, имплантированные в моторную кору для управления роботизированными руками.
Даже самые простые движения задействуют миллионы нейронов в разных областях мозга. Однако на сегодняшний день внутрикортикальные нейронные протезы используют активность максимум нескольких сотен нейронов, обычно из одной области мозга. Учитывая это, можно предположить, что основные ограничения на контроль ИМК проистекают из ограничений в информации, доступной в самих записях.
Из последних мировых достижений, имплантируемых ИМК, следует отметить управляемый нейронной активностью протез, восстанавливающий естественную двигательную и сенсорную способность пациентов с ампутированными конечностями. Созданы ИМК для клинического восстановления активной памяти у людей, которые потеряли эту способность в результате травмы или неврологического заболевания; имплантируемая диагностическая и терапевтическая система с замкнутым контуром «считывание-стимуляция» для лечения неврологических заболеваний.
Еще раз повторим, что преимущества использования технологии имплантатов для ИМК очевидны: высококачественный сигнал, постоянная доступность, минимальный опыт работы, самообслуживание и эстетика. Но эти технологии ограничены строгими требованиями биоэтики и регулирования.
Воображаемая речь
Очень важны неклинические приложения ИМК.
Например, что происходит в мозгу читателей художественной литературы? Можем ли мы отличить чтение нейтральных текстов от чтения эмоциональных текстов? Интерактивная беллетристика, где эмоциональное состояние читателя используется для выбора следующего эпизода в повествовании, является одной из возможных областей применения.
Обучение – еще один важный нейронный феномен, затрагивающий многие области и связи в мозгу. Современные технологии не позволяют нам напрямую отслеживать все изменения, связанные с обучением, но, используя подход ИМК, эффекты этих изменений должны проявляться в активности нейронов, которую мы регистрируем. Таким образом, ИМК может дать новое понимание нейронной основы классических явлений в двигательном и когнитивном обучении, включая адаптацию, исследование, быстрое повторное обучение, вмешательство и приобретение различных навыков.
Речь обеспечивает естественное и быстрое средство общения. Как метод коммуникации, прямое декодирование мозговой деятельности, связанной с предполагаемой речью, было бы огромным прорывом для исследования ИМК. Преимущество внутричерепных записей перед записями на скальпе – высокое пространственное и временное разрешение корковой активности во время речевого процесса, без загрязнения артефактами движения. Это дает возможность глубокого анализа сложной динамики речевых процессов.
В недавних работах по использованию ИМК было показано, что восприятие речи может быть необязательным для декодирования речи. Спектральная динамика воображаемой речи может быть восстановлена по нейронной активности, регистрируемой от имплантированных в мозг электродов. Такие нейронные сигналы – новое многообещающее направление для восстановления коммуникации.
Сегодня возникает принципиально новое направление исследований и разработок – создание ИМК для повседневной жизни, не требующих хирургических вмешательств. И именно оно является главным направлением совершенствования ИМК. Перспективы эффективной многозадачности и интуитивного взаимодействия людей с автономными и полуавтономными интеллектуальными агентами требуют разработки новых подходов, направленных на улучшение взаимодействия человека с разнообразными гаджетами.
При этом требования к инвариантности мысленных команд, связанных с необходимостью в однозначности исполнительных действий, остаются неизменными, поэтому требуются новые подходы для выявления характерных особенностей в биоэлектрической активности мозга, которые могли бы быть использованы в качестве сигналов управления.
ИИ в помощь!
В ближайшие несколько лет обязательно произойдет конвергенция двух технологий – ИМК (интерфейс «мозг-компьютер») и ИИ (искусственный интеллект). Когда мы говорим о конвергенции, то имеем в виду не только и не столько взаимное влияние, сколько взаимопроникновение этих технологий, которое должно привести к появлению нового научного направления – анализ мозговой активности и управление.
Следующий шаг должен быть сделан в области масштабирования ИМК и программ ИИ с переходом к обмену информацией между несколькими мозгами. Работы в этом направлении уже начаты, и именно в реализации этой технологии принципиально важны идеи и методы анализа мозговой активности.
Когда можно ожидать появления полноценных ИМК нового поколения?
Путь на рынок наиболее успешных кохлеарных (слуховых) имплантатов для улучшения слуха занял около 25 лет. Имплантация ИМК также должна начинаться с обеспечения немедленной практической выгоды и развития в направлении более сложных приложений. Это может занять с учетом успехов в развитии информационных технологий от 10 до 12 лет.
Недавно в некоторых СМИ появились сообщения о якобы разрабатываемой или уже существующей федеральной программе научных исследований, предполагающей «чипирование» людей, то есть вживления им в мозг микрокомпьютеров, с целью управления поведением.
Немедленно последовало опровержение от Министерства науки и образования РФ: речь идет о планах поддержать программу «Мозг: здоровье, интеллект, инновации», проект которой был разработан крупнейшими отечественными специалистами. Ни о каком «чипировании» в этом проекте, естественно, речи нет.
Вот как охарактеризовал научное содержание предполагаемой программы академик РАН Константин Анохин: «Целью предполагаемой программы является проведение опережающих фундаментальных и прикладных исследований в области нейронаук и технологий в интересах задач национальных проектов по развитию науки, здравоохранения, решения проблем демографии, роста человеческого капитала, укрепления здоровья населения разных возрастных групп, совершенствования образования, а также развития инновационной экономики, основанной на цифровых технологиях и искусственном интеллекте, использующих принципы работы головного мозга».
Один из разделов проекта этой программы предполагал исследования и разработки по проблеме ИМК. Из идеи, находящейся на передовых рубежах современной науки о мозге, сделали страшилку для публики. Область разработки таких интерфейсов является одной из наиболее стремительно развивающихся практических областей, перспективы использования достижений которой в настоящее время только осознаются.
К сожалению, вклад в тиражирование таких страшилок вносят – преднамеренно или нет – и некоторые нейробиологи и клиницисты. Так, группа из 27 научных сотрудников опубликовала манифест, в котором утверждала, что мозговые импланты будут нарушать границы личной жизни. Такая технология, мол, открывает путь к манипулированию намерениями, эмоциями и решениями, может использоваться как инструмент рекламы, пропаганды и для других корыстных целей. В манифесте утверждается, что «нейронные устройства, подключенные к интернету, открывают возможность того, что отдельные лица или организации (хакеры, корпорации или правительственные агентства) отслеживали или даже манипулировали умственным опытом человека».
Возможность использования информационных воздействий, не осознаваемых человеком, вызывает наибольшую тревогу у широкой общественности и приводит к излишне эмоциональным обсуждениям возможностей «модификации поведения» и создания «психотронного» оружия.
Однако надежды и страхи, связанные с представлениями о контроле за поведением, представляются сильно преувеличенными. Сам факт существования познавательной активности предполагает, что манипулирование поведением, как правило, не может быть эффективным, так как оно не приводит к получению систематически предсказуемых результатов при условии нормального развития в рамках данной культуры.
Исследования и разработки в области ИМК – это одна из немногих областей, связанная с высокими технологиями, где наша страна может занять достойное место, и мы надеемся, что такая возможность не будет упущена.
Ростов-на-Дону
комментарии(0)