Биологический микропроцессор

Создается впечатление, будто современной науке подвластно все: на этот раз ученые соединили мозг человека с компьютером.
Человеческий мозг и компьютер — наивысшие на сегодняшний день ступени развития живой и неживой природы. Уже много лет они существуют независимо друг от друга и большинство попыток установить между ними прямую связь были безуспешны. Большинство — но не все. Пионерами в области передачи сигнала из мозга в компьютер стали ученые из Института Дюка в Северной Каролине под руководством профессора Мигуэля Николелиса. Однако в настоящее время они не являются монополистами в этой области — многие научные институты мира, используя технологию Николелиса, также могут похвастаться сериями успешных опытов по проведению сигналов из мозга в компьютер. Рой Бэкэй и Филипп Кеннеди, например, сумели с помощью мысли управлять курсором на экране монитора (подробнее: см. врезку).

Николелис взялся за разработку новой технологии, когда писал свою научно-исследовательскую работу вместе с Джоном Шопеном. «Мы решили сделать то,— говорит Николелис,— что до нас еще никто не смог сделать — мы решили разработать технологию, которая позволит записывать активность большого числа нейронов одновременно». По сути, они попытались соединить мозг (именно мозг, а не единичный нейрон) с компьютером и считывать человеческую мысль из первоисточника. Этот метод лег в основу интерфейса между человеческим мозгом и компьютером. Смелая инициатива ученых была с восторгом принята в Национальном Институте Здоровья и Управлении Перспективных Исследовательских Программ, оказавших материальную помощь специалистам.

Однако не все было так удачно, как этого хотели ученые: их первые опыты оказались неудачными по причине гибкой природы нейрона. Его нельзя «спаять» с электродом или хотя бы «прицепить» к электроду. Можно только прикоснуться, но это исключается, поскольку нейрон постоянно меняет свое месторасположение, и электрод не только теряет с ним контакт, но и проваливается в глубь желеобразной массы головного мозга, нанося ему повреждения. Только энтузиазм Николелиса и его коллег помог найти выход из этой ситуации. Ученые заметили, что тефлон обладает свойством стимулировать рост нейронов в свою сторону. После того, как они покрыли тефлоном поверхность конусообразных электродов, нейроны начали сами перемещаться к ним. В таком случае контакт между электродом и нейроном оказывается не хуже, чем между самими нейронами. Это открытие завершило разработку технологии, которую Николелис назвал «мульти-нейронной записью».

Практика
Честь быть первым в истории биологическим существом, чей мозг соединен с компьютером, выпала простой лабораторной крысе. Источником мысли послужил двигательный центр ее мозга, который ученые соединили с компьютером при помощи 48 проводов. Испытывая острую жажду, она беспокойно передвигалась по испытательной комнате. Она нашла предусмотренную учеными кнопку, нажала ее лапой и получила небольшое количество воды. Так повторялось несколько раз — крыса нажимала на кнопку и получала воду, а компьютер записывал ее мозговую активность. Но вскоре кнопку дезактивировали, и наступила решающая фаза эксперимента. Ждать ученым пришлось недолго: крыса быстро раскусила этот трюк — она всего лишь подумала о нажатии кнопки — и снова насладилась прохладной водой. Ученые были поражены не столько удачей эксперимента, сколько проницательностью крысы. Тем не менее, все задачи, которые стояли перед этим экспериментом, были решены: ученые сделали первый шаг к тому, чтобы постичь природу человеческого мозга, принцип его работы, «кодировку» мысли, в перспективе изменить в корне жизнь всего человечества.

Во время самых первых своих опытов ученые совершили несколько научных открытий, притом революционных и опровергающих прежние теории. Например, раньше считалось, что мозг отчасти напоминает микропроцессор, и каждый нейрон представляет собой минимальную структурную единицу мозга, выполняет всегда одну и ту же функцию и жестко связан с другими нейронами. Также считалось, что мозг практически не меняется со временем. Однако простой анализ наблюдений ученых показал, что он является едва ли не противоположностью микропроцессору — один нейрон всегда выполняет разные действия, входит в разные цепи нейронов, постоянно меняет связи с остальными нейронами, может выполнять одно действие как самостоятельно, так и в совокупности с остальной популяцией мозга. Было доказано, что мозг меняется каждые доли секунды; каждые доли секунды он реагирует на внешнее воздействие, приспосабливается к новым условиям жизни, которые на самом деле для мозга меняются постоянно — их изменяет и малейшее воздействие на органы чувств и даже самый незначительный мыслительный процесс. Можно сказать, что все ранее утвержденные предположения о работе мозга были на корню неверными.

Подтверждением тому может стать «Иллюзия боли», которую испытывают люди, потерявшие конечности. Ранее эта загадка ставила ученых в тупик. «Мы знаем,— говорит Николелис,— что 80 процентам ампутантов кажется, что потерянная конечность все еще находится на своем месте. Мы уверены, что быстрое преобразование мозга, которое начинается после ампутации, может быть причиной этого явления». «Иллюзия» может привести к удивительными последствиям: например, прикосновение к лицу может вызвать ощущение прикосновения к ампутированной руке.

Обезьяны
Следующей целью Николелиса было подключение искусственной руки робота к мозгу обезьяны. Переквалификация с грызунов на приматов не случайна — их мозг больше похож на мозг человека и превосходит мозг грызунов по размеру, что позволяет задействовать большее количество нейронов, а значит и обеспечить более четкие и скоординированные движения. В отличие от 48 проводов, при помощи которых соединялся с компьютером мозг крысы, ученые при первом опыте подключения к мозгу небольшой обезьянки использовали 96 проводов толщиной с половину человеческого волоса. Одним концом они присоединялись к мозгу, другим — к компьютеру, который в режиме реального времени при помощи простых математических функций моделировал движения искусственной руки робота. Сначала движения руки не соответствовали пожеланиям обезьяны, но постепенно она приспособилась и научилась вполне удовлетворительно выполнять простые движения. Она обучалась точно так же, как человек учится, к примеру, печатать на клавиатуре. Умственная деятельность была идентична той, которую обезьяна совершала во время управления своей собственной рукой. Но стоит отметить, что, несмотря на то, что обезьяна и получила возможность вращать руку в трех плоскостях, пройдет еще немало времени до того момента, когда искусственная рука сможет выполнять такие комплексные и сложные движения, как бросок мяча, езда на велосипеде или управление автомобилем.

Для большей убедительности сигнал от мозга к руке был передан на расстояние 600 миль (около 950 км) через интернет. Для этого была изготовлена еще одна искусственная рука, которая находилась в Массачусетском Институте Технологий, а обезьяна осталась в Институте Дюка, который, напомним, находится в Северной Каролине. Соавтор этого проекта Мандаям Сринивасан восторженно отозвался по этому поводу: «Когда мы решили передать сигнал через интернет, мы не знали, насколько существенна будет задержка. Даже через TCP/IP протокол все работало без нареканий. Было интересно смотреть, как в моем кабинете двигался робот, движимый мыслью обезьяны в Дюке. Будто она имела руку длиной в 600 миль».

В первую очередь разработки ученых должны помочь всем паралитикам и ампутантам вновь обрести возможность передвижения. Недаром Николелис восторженно отзывался еще по поводу своей удачи в первых опытах: «Что могут делать крысы, то могут делать и люди, а это дает парализованным людям просто-таки экстраординарные возможности». Именно помощь обездвиженным людям, а не научные цели, является главной целью работы команды ученых из Северной Каролины. Уже сегодня они могут подключить их мозг к инвалидному креслу с электродвигателем, но, естественно, конечной целью является полное восстановление подвижности человека.

Ученые также отметили, что их устройство можно использовать в образовательных целях. Например, обезьяну с рукой робота, управляемой мыслью, можно использовать в образовательных целях: с ее помощью можно наглядно подтвердить теорию, выдвинутую учеными при самом первом опыте с крысой, теорию о изменчивости человеческого мозга. Обезьяна сначала практически не умела управлять рукой, но с течением времени она научилась это делать. Ученые могут каким угодно образом поменять соответствия между нервным сигналом и движением руки, например, они могут инвертировать движения (движение влево станет движением вправо) или случайно расставить их, например, чтобы вместо поднятия рука она повернулась влево. Непосредственно после этого рука обезьяны не будет подчиняться ее мозгу, движения не будут согласоваться, но вскоре мозг снова расстановит нужные соответствия, поменяв для этого свою структуру и снова. Примерно то же самое может испытать человек, если при движении компьютерной мыши вверх курсор будет двигаться вниз и т.п. «Устройство позволяет понять основные принципы работы головного мозга,— говорит Николелис,— например, мы использовали нервные импульсы для управления искусственной рукой, и теперь мы можем изменить параметры визуальной или сенсорной (осязательной) обратной связи и увидим, как мозг к ней приспосабливается».

Это в очередной раз показывает, насколько гибок человеческий мозг — он приспосабливается не только ко всем естественным действиям (к физическим упражнениям, к речи, к письму, к печати и т.п.), но и к искусственным, которые природой совершенно не предусмотрены, например, управлению искусственной рукой на подсознательном уровне.

Также была отмечена еще одна немаловажная деталь — мозг планирует все свои действия заранее, в случае с обезьяной можно было узнать о ее намерении совершить какое-либо конкретное действие за несколько десятых долей секунды до его выполнения.

Планы на будущее
На этом работа Николелиса не заканчивается — самое интересное только начинается. В ближайшем будущем он планирует перейти от крыс и маленьких приматов к большим приматам. Причины те же, что и в случае перехода от грызунов к маленьким приматам — Они более похожи на человека, более развиты в интеллектуальном плане, их мозг больше по размеру, что позволяет произвести подключение с большим количеством контактов — вплоть до 1000 — и получить, соответственно, более точные и детальные сигналы, которые позволят производить более сложные действия. Новая серия экспериментов для разработки устройства, полностью готового для массового использования, должна дать ученым более детальные сведения о работе мозга, опираясь на которые они смогут усовершенствовать электроды, электронную и механическую части устройства.

В научных лабораториях для конвертации нервного импульса в электрический сигнал используются довольно большие устройства, которые использовать в повседневной жизни крайне неудобно — легче обойтись старыми добрыми костылями. Поэтому команда Николелиса сейчас поглощена работой по минимализации компьютера до размеров микрочипа размером человеческий ноготь, который будет передавать сигналы от мозга к небольшому компьютеру через черепную коробку. По сути — это простой радиопередатчик. После его имплантации человек сможет ходить без проводов в голове и без отверстий в костях черепа.

Совершенствование механической части заключается в совершенствовании искусственных конечностей. Для разработки нового варианта руки Николелис уже связался с английским производителем протезов, который, в свою очередь, предлагает сразу после изобретения каждого прототипа протеза тестировать его на обезьянах, чтобы быть уверенным в пригодности его устройств для такого рода деятельности. Вероятно, в ближайшем будущем будет налажено серийное производство систем для обездвиженных людей, которые будут компактными, легкими, прочными, портативными, противоударными, водонепроницаемыми,— в целом, они будут доведены до потребителя не меньше, чем сотовые телефоны и цифровые фотоаппараты. «Это область повседневности, а не наука ни в одном из ее проявлений» — отзывается Мигуэль Николелис.

Но все эти задачи являются относительно простыми. Перед учеными стоит еще одна, действительно важная и сложная проблема. Она заключается в создании систем замкнутого цикла с полной обратной связью, то есть систем с принципами работы настоящей руки с нервной системой. Мозг не только отдает команды на выполнение какой-либо задачи. В таком случае он просто не знал бы, совершила ли рука какое-либо действие и совершила ли она его правильно. «Рука не только получает команды,— говорит Сандро Мусса-Ивалди из Института северно-западной медицинской школы,— но и отсылает информацию в мозг о том, что она выполнила нужное действие». В нашем организме контроль за выполнением (а, следовательно, и возможность корректировки) команд мозга выполняется двумя путями — визуальным (с помощью зрения человек видит движения своей руки) и осязательным. При нынешних искусственных системах мозг получает только зрительную информацию. Ученым необходимо восполнить этот пробел и воссоздать не только искусственную сеть нервных клеток на всей поверхности руки, но и соединить их с мозгом таким образом, чтобы они были понятны для мозга (впрочем, здесь можно положиться на способность мозга к изменению — с помощью зрения он будет корректировать нервную систему руки).

Изобретения Мигуэля Николелиса призваны не только кардинально изменить жизнь парализованных людей, но и жизнь человечества в целом. Он смог сделать реальным то, что всегда казалось фантастикой (и не перестает ей казаться даже в настоящее время) — управление предметами с помощью мысли. Спустя несколько десятилетий ряд таких научных открытий, как изобретение телефона, телевизора, транзистора и компьютера, несомненно, пополнится еще одним — объединением биологии и электроники.




Мигуэль Николелис

Рой Бэкэй и Филипп Кеннеди
Рой Бэкэй и Филипп Кеннеди начали свои эксперименты по передаче мысли еще в 1990 году, работая в Чикаго. Несколько лет спустя они переехали в Атланту, где работали в Университете Эмери, а в 1996 году они, добившись некоторых успехов, получили разрешение от Администрации по санитарному контролю США на проведение двух экспериментов с участием человека. Первый опыт оказался неудачным, и женщина, принимавшая в нем участие, вскоре скончалась из-за тяжелой формы болезни Лу Генриха. На второй раз ученым повезло больше. Джонни Рей, 63-летний художник и музыкант, парализованный в 1997 году из-за травмы ствола головного мозга, принял участие в удачном практическом опыте над человеком в 1998 году. Его мозг соединили с компьютером через обычный USB-интерфейс. Рэй должен был думать о выполнении простых движений — о поднятии руки и т.п. Нервные импульсы, соответствующие этим движениям, могли быть запрограммированы, например, на управление курсором. В целом, он обучался примерно также, как и обезьяна в Институте Дюка, и после тренировок он смог на подсознательном уровне управлять курсором, печатать и даже генерировать музыкальные сигналы. Когда Бэкэй и Кеннеди спросили у него, что он чувствует, он медленно написал «ничего». Для дальнейшего продолжения экспериментов, Национальный Институт Здоровья в прошлом году выделил ученым 1,1 миллиона долларов.