Перепрошить мозг: что такое нейроинтерфейсы и на что они способны

Нейроинтерфейс (или интерфейс «мозг — компьютер») — это устройство и технология для обмена информацией между мозгом и внешним устройством: компьютером, смартфоном, экзоскелетом или протезом, бытовыми приборами, инвалидной коляской или искусственными органами чувств. Самый распространенный пример — прибор для электроэнцефалограммы (ЭЭГ), который используют в медицине с 1970-х годов.

Первым прототипом нейроинтерфейса считается электродное устройство Stimoceiver, изобретенное в 1950-х годах. Его испытали на мозге быка, заставив животное изменить направление движения.

В 1972-м ученые выпустили первый нейропротез для глухих — кохлеарный имплант, которым, по данным за 2019 год, пользуются более 700 тыс. человек в мире.

В 1998 году американский невролог Филипп Кеннеди впервые вживил нейроинтерфейс в мозг Джонни Рея, художника и музыканта, который был полностью парализован из-за травмы ствола головного мозга. Он управлял курсором на мониторе, представляя движения рук.

В 2000 году группа во главе с бразильским ученым Мигелем Николелесом создала нейроинтерфейс, который позволял обезьяне управлять джойстиком при помощи мысли. В 2021-м этот опыт повторили в Neuralink, но уже с инвазивным нейроинтерфейсом. В 2004-м появился электронный нейрочип от Cyberkinetics Inc., который вживили парализованному американцу Мэтью Бейглу, чтобы он мог управлять роборукой с помощью мозга.

В последние годы главные прорывы происходят в области нейропротезирования. В 2015 году калифорнийские исследователи разработали нейроинтерфейс, который позволяет ходить людям, парализованным по пояс. В 2016-м ученые из Германии, Швейцарии и США с помощью нейроинтерфейса смогли частично восстановить поврежденный спинной мозг пациента. В том же году британец Нил Харбиссон, от рождения не различающий цвета, разработал специальную камеру, которая преобразовывает цвет в звуки и посылает их во внутреннее ухо. А в 2021-м группа исследователей из Калифорнии создала нейропротез, который помогает улучшить память на 30%.

По типу взаимодействия нейроинтерфейсы бывают однонаправленные и двунаправленные. Первые либо принимают сигналы от мозга, либо посылают их ему. Вторые могут и посылать, и принимать сигналы одновременно. Однонаправленные уже существуют и функционируют, тогда как двунаправленные пока что представлены только в виде концепции.

По расположению различают инвазивные, малоинвазивные и неинвазивные нейроинтерфейсы. Первые вживляют в мозг, вторые располагают на поверхности мозга, а треть — на голове. Чем ближе к мозгу расположены электроды нейроинтерфейсов, тем лучше они передают сигнал.

С точки зрения функций выделяют нейроинтерфейсы для управления чем-либо с помощью мозга или для восстановления/дополнения его функций. Последнее актуально при поражениях мозга при рассеянном склерозе, деменции, болезни Альцгеймера или Паркинсона.

Однонаправленные нейроинтерфейсы — или интерфейсы «мозг-компьютер» — регистрируют электроэнцефалограмму — то есть электрическую активность мозга. Образуя нейронные связи и передавая сигналы между нейронами, наш мозг излучает электрические импульсы. Эту ЭЭГ расшифровывает компьютер и преобразует в команды для системы или внешних устройств.

Инвазивные нейроинтерфейсы в виде маленьких пластинок с электродами вживляют в кору головного мозга. Неинвазивные размещают на голове в виде шлема или отдельных электродов. Для улучшения проводимости их иногда смачивают водой или специальным гелем.

Чтобы расшифровать импульсы мозга, ученые используют алгоритм, который сам вычленяет нужные сигналы или дает готовые параметры, которые система ищет в потоке данных. В первом случае интерфейс с большей вероятностью сможет предсказать, о каком движении думает человек. Во втором случае для точного результата нам нужно хорошо понимать, как именно то или иное намерение проявляется в сигнале мозга. К сожалению, пока что этот вопрос не до конца изучен.

В нейроинтерфейсах с двусторонней связью информация в виде данных о работе мозга, звуков, образов, тактильных ощущений передается в компьютер, затем анализируется и передается в мозг — при помощи стимуляции клеток центральной и периферической нервной системы.

Сегодня главных сфер применения всего две:

1. Медицина. Нейроинтерфейсы помогают восстанавливать утраченные функции мозга, диагностировать неврологические заболевания. Нейропротезы позволяют людям с парализованными или утраченными частями тела посылать сигналы мышцам рук, ног, головы и всего тела. Существуют отдельные роботизированные протезы и целые экзоскелеты, работающие таким образом. Также нейроинтерфейсы выполняют функции утраченных органов: например, глаз или ушей.
   53-летняя парализованная американка с помощью нейрочипов управляет роботизированной кроватью

2. Развлечения. Нейроинтерфейсы помогают управлять действиями в VR-играх, позволяя играть без помощи джойстиков или клавиатуры:

Сейчас ведется множество разработок, которые расширят сферу применения и возможности нейроинтерфейсов. Например, не так давно был создан биосинтетический материал, который можно будет использовать в качестве нейрочипа, который подключает мозг к искусственному интеллекту.

Согласно отчету Market Research Future, к 2024 году ежегодный темп роста рынка интерфейсов «мозг-компьютер» будет составлять 15,1%. В 2019-м его объем оценивался в $980 млн. 50% рынка приходится на США. Среди главных факторов роста называют:

• прогресс в исследованиях расстройств и травм мозга, нарушений когнитивных функций;
• совершенствование сферы здравоохранения и протезирования;
• растущий спрос на биосовместимые материалы;
• развитие смежных технологий — скоростного интернета, интернета вещей, искусственного интеллекта, нейросетей и робототехники.

Пока что на рынке преобладают неинвазивные устройства. Большинство из них представляют собой мобильные ЭЭГ-гарнитуры или шлемы с разным числом электродов набором функций.

Emotiv Systems в 2009 году разработала Emotiv EPOC — нейроинтерфейс в виде шлема с 14 электродами, регистрирующий 13 частот мозга, сокращения мышц и движения головы с помощью двух гироскопов. Он распознает эмоциональное состояние и уровень стресса, помогая создавать 3D-модели мозга и диагностировать психические расстройства.

Neurable — компания, создающая «многофункциональные нейротехнологические инструменты, которые интерпретируют человеческие намерения, измеряют эмоции и обеспечивают телекинетический контроль над цифровым миром». Одним из таких инструментов стала специальная считывающая импульсы мозга гарнитура для VR-игр. Компания уже собрала $6 млн на следующую разработку VR-очков, которые пригодятся в самых разных сферах — например, в строительстве или управлении транспортом.

NeuroSky выпускает мобильные ЭЭГ-гарнитуры MindWave для анализа активности мозга. Ее используют, чтобы играть в игры или управлять героями интерактивных фильмов. Чуть позже появились наушники MindSet, для тех же целей.

Канадская InteraXon одной из первых в 2014 году вышла на рынок с Muse — мобильной ЭЭГ-гарнитурой с четыремя электродами, которые взаимодействуют со смартфоном или компьютером. Гарнитура помогает улучшить концентрацию и медитировать, преобразуя сигналы мозга в звуки.

Международные корпорации тоже разрабатывают свои нейроинтерфейсы. Например, Nissan внедряет подобные технологии для улучшения управляемости и безопасности автомобиля на дороге. Такой нейрошлем помогает лучше реагировать на изменение ситуации, предсказывая реакцию и действия водителя.

Facebook ведет разработки технологии, которая поможет пользователям публиковать посты и комментарии без помощи клавиатуры. В первую очередь, эта функция будет полезна парализованным людям: благодаря ей они смогут печатать со скоростью 100 слов в минуту, что в пять раз быстрее, чем набор на смартфоне. Нейроинтерфейс будет неинвазивным, а над разработкой системы его управления трудятся ведущие университеты и исследовательские лаборатории США. Они занимаются алгоритмами машинного обучения для распознавания и визуализации нейронных сигналов.

Среди инвазивных нейроинтерфейсов самый известный — нейрочип от Neuralink Илона Маска. Еще в 2016-м, когда стартовал проект, бизнесмен утверждал: «Все мы практически уже киборги».

Первую презентацию компания провела в августе 2020 года. На ней показали свиней с нейрочипами, чья мозговая активность отображалась на экране.

В апреле 2021-го компания показала макаку, играющую в видеоигру с помощью нейрочипа:

В 2013 году в Швейцарии стартовал проект The Human Brain Project, который объединил около 500 ученых со всего мира, а в США — Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies с бюджетом в $4,5 млрд. Их цель — максимально подробно изучить работу мозга для создания нейроинтерфейсов с двусторонним действием. В 2017-м DARPA — Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США — заключило шесть контрактов на сумму $65 млн для тех же целей.

В нашей стране исследованиями нейроинтерфейсов занимается лаборатория нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ им. М.В Ломоносова. Благодаря этому появился «Нейрочат» — технология, которая позволяет людям с ограниченными возможностями общаться при помощи голосовых или текстовых сообщений.

Компания Innovative Brain Solutions (iBrain) создает нейроинтерфейсы для постинсультной реабилитации, а также для улучшения спортивных результатов с помощью ИИ.

Компания Neurobotics разрабатывает устройства, которые позволяют управлять квадрокоптером, а также — медитировать, улучшать когнитивные способности и диагностировать ментальные нарушения с помощью мозговых импульсов.

В 2021 году резидент «Иннополиса» (Татарстан) Андрей Кузьмин получил премию Президента РФ в области науки за разработку интерфейса, который мониторит состояние мозга и на основе полученных данных может улучшить взаимодействие между нейронами. Это значит, что мозг будет работать эффективнее за счет регулярных тренировок. Такие «тренажеры» пригодятся, например, пилотам, авиадиспетчерам, водителям и тем, кому приходится постоянно напрягать внимание и быстро реагировать на ситуацию.

• Риск для здоровья. Нейроинтерфейс относится к инвазивным и полуинвазивным устройствам. Во-первых, есть риск повредить мозг при вживлении чипа. Поэтому Neuralink предлагает имплантировать чипы при помощи лазерного луча, а не сверления. Во-вторых, в месте контакта мозга с электродами нервная ткань отмирает. Решением могут стать специальные вещества, которыми можно покрывать микросхемы, и тогда они будут «обрастать» нервными тканями. Другой вариант — биоразлагамые сенсоры, которые со временем растворяются.
• Питание. Пока до конца не ясно, откуда инвазивные устройства будут получать энергию. Источником может стать наш организм: при работе мышцы выделяют энергию, которой достаточно для питания мини-устройств. Например, при дыхании выделяется 1 Вт, а при ходьбе — 50 Вт.
• Неточность. Во-первых, в плотной мозговой ткани очень трудно найти нужный нерв, чтобы подключить к нему электрод. Во-вторых, неинвазивные нейроинтерфейсы, помимо релевантных импульсов, считывают множество шумов, которые еще нужно уметь отделить.
• Кибербезопасность. Пока нейроинтерфейсы еще не управляют нашим мозгом и не умеют читать мысли, но в будущем взлом данных с таких устройств может стать серьезной проблемой.
• Сервис. На рынке пока что нет квалифицированных технических специалистов, которые бы умели работать со сложными нейроинтерфейсами.
• Сложность задачи. Главная же проблема заключается в том, что мы до сих пор не понимаем, как работает наш мозг. Поэтому мы не умеем на 100% точно расшифровывать сигналы, которые он передает. Возможно, эту проблему удастся решить с помощью машинного обучения.

В будущем нейроинтерфейсы позволят нам управлять «умным» домом и роботами, общаться телепатически и сохранять мысли в виде текста, аудио или видео. Уже сегодня с их помощью можно воссоздать образы из сновидений, лечить болезнь Паркинсона и другие заболевания, связанные с потерей памяти.

Чтобы превратить человека в киборга, нужно полностью заменить его интеллект искусственным и сделать так, чтобы мозг не старел и не умирал. Эту идею, в частности, развивал философ и футурист Макс Мор, последователь идеи трансгуманизма.

Однако главная цель современных нейроинтерфейсов — максимально раскрыть потенциал человеческого мозга, о котором мы пока даже не догадываемся.