Перепрошить мозг: что такое нейроинтерфейсы и на что они способны
Фото: Shutterstock
Neuralink — очередной амбициозный проект Илона Маска по созданию нейрочипа, который должен соединить наш мозг с компьютером. Но есть и другие нейроинтефейсы, которые устроены совсем иначе и решают самые разные задачи
1
Что такое нейроинтерфейс
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.
2
История создания нейроинтерфейсов
Первым прототипом нейроинтерфейса считается
, изобретенное в 1950-х годах. Его испытали на мозге быка, заставив животное изменить направление движения.
В 1972-м ученые выпустили первый нейропротез для глухих —
, которым, по данным за 2019 год, пользуются
.
В 1998 году американский невролог Филипп Кеннеди впервые
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
, который позволял обезьяне управлять джойстиком при помощи мысли. В 2021-м этот опыт
, 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
нейроинтерфейс, который позволяет ходить людям, парализованным по пояс. В 2016-м ученые из Германии, Швейцарии и США с помощью нейроинтерфейса
поврежденный спинной мозг пациента. В том же году британец Нил Харбиссон, от рождения не различающий цвета,
, которая преобразовывает цвет в звуки и посылает их во внутреннее ухо. А в 2021-м группа исследователей из Калифорнии
, который помогает улучшить память на 30%.
3
Типы нейроинтерфейсов
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 управлениячем-либо с помощью мозга или для восстановления/дополнения его функций. Последнее актуально при поражениях мозга при рассеянном склерозе, деменции, болезни Альцгеймера или Паркинсона.
4
Как работают нейроинтерфейсы
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.
5
Где применяются нейроинтерфейсы
Сегодня главных сфер применения всего две:
- 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,
или
.
53-летняя парализованная американка с помощью нейрочипов управляет роботизированной кроватью
- Развлечения. Нейроинтерфейсы
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
, который можно будет использовать в качестве нейрочипа, который подключает мозг к искусственному интеллекту.
6
Кто создает нейроинтерфейсы в мире
Согласно
, к 2024 году ежегодный темп роста рынка интерфейсов «мозг-компьютер» будет составлять 15,1%. В 2019-м его объем оценивался
. 50% рынка приходится на США. Среди главных факторов роста
:
- 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.
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.
— 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
. Компания уже собрала $6 млн на следующую разработку VR-очков, которые пригодятся в самых разных сферах — например, в строительстве или управлении транспортом.
выпускает мобильные ЭЭГ-гарнитуры
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
— 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
для улучшения управляемости и безопасности автомобиля на дороге. Такой нейрошлем помогает лучше реагировать на изменение ситуации, предсказывая реакцию и действия водителя.
Facebook
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 —
Илона Маска. Еще в 2016-м, когда стартовал проект, бизнесмен
: «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.
Презентация Neuralink в августе 2020 года
В апреле 2021-го компания показала макаку, играющую в видеоигру с помощью нейрочипа:
В 2013 году в Швейцарии стартовал проект
, который объединил около 500 ученых со всего мира, а в США —
с бюджетом в
. 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
для тех же целей.
7
А кто развивает технологию в России?
В нашей стране исследованиями нейроинтерфейсов занимается лаборатория нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ им. М.В Ломоносова. Благодаря этому появился
— технология, которая позволяет людям с ограниченными возможностями общаться при помощи голосовых или текстовых сообщений.
Компания
(iBrain) создает нейроинтерфейсы для постинсультной реабилитации, а также для улучшения спортивных результатов с помощью ИИ.
Компания
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
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.
Интервью с Андреем Кузьминым
8
В чем главные проблемы технологии?
- 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 —
, которые со временем растворяются.
- Питание. Пока до конца не ясно, откуда инвазивные устройства будут получать энергию. Источником может стать наш организм: при работе мышцы
, 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.
9
Станем ли мы киборгами?
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.
Макс Мор считал, что «люди-киборги» станут новым этапом в эволюции человека
Однако главная цель современных нейроинтерфейсов —
, о котором мы пока даже не догадываемся.
Коменнтарий:
Хочу только высказать свое общее мнеение по поводу технологий в целом.Люблю смотреть передачи такого рода как технологии,космос(про марс) ,про НЛО-вообщем сколько столетий технологии стояли на месте и только медицина по немногу шла вперед,и буквально за небольшой относительно небольшой промежуток времени-технологии сильно шагнули вперед
Еще не так давно только появились кнопочные телефоны и это был бум ноо хао и далеко некаждый мог себе позволить мобильник,а сейчас мобильники крутые и доступные,роботы ,полеты на марс,нейро-протезы -технология сильно шагнула вперед…
Мне кажется или мое мнение :
Вообщем за этот промежуток времени когда начали запускать ракеты в космос,(может я много употреблял или много смотрю такого рода передач!))но как люди начали осваить Космос ,то технологии сильно тронулись вперёд,я убежден что уже налажена связь с внезимным разумом наиболее развитой рассой и они возможно среди нас но мы не так развиты и мало либо почти нечего незнаем об этом.
Про сами технологии:
Смотрел как Китайцы создают робота человека которого почти внешне неотличить от живого человека с которым можно вступить в любой диалог на любые темы-по мне интересно но столько денег отдать в разработку по мне бессмыссленно -для чего ?(может чего непонимаю)
Полезная по мне разработка к примеру нейро протезы,когда человеку место рук или ног ставят эти протезы и он силой мысли как научится может упровлять ими-полезная вещь
Или к примеру такси без водителя которое доставит тя куда надо по мне прикольно но небезопасно,доверять саою жизнь роботу слишком большая цена
Может позже дополню
