Елена Пицик, Университет Иннополис — о том, зачем вживлять в мозг нейроинтерфейсы
Нейроинтерфейсы сегодня находят самое широкое применение: от реабилитации людей после травм и инсультов до мониторинга сна и расслабления во время медитации. Илон Маск в рамках своего проекта Neuralink разрабатывает инвазивные интерфейсы, которые можно будет внедрять прямо в мозг человека без угрозы отторжения. «Хайтек» записал онлайн-лекцию сотрудницы Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Елены Пицик, посвященную интерфейсу «мозг — компьютер» и способам расшифровки электроэнцефалограммы. Выступление проходило при поддержке Университета Иннополис и ЦСК «Смена».
Читайте «Хайтек» в
Елена Пицик — младший научный сотрудник Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис.
Сравнение
Передача сигналов в компьютере основана на электрических импульсах. Для этого используется простой двоичный код, при котором сигналы имеют всего два значения: или «1», или «0». А вот в мозге ведется сложная работа, основанная на множестве химических сигналов, причем каждый из них имеет свою индивидуальную характеристику. Интересно, что скорость проводимости нервного импульса из нейрона в нейрон может меняться в зависимости от существующих обстоятельств. В мозге не предусмотрено функциональных блоков.
Компьютер не признает «полутонов». В нем всё четко – существует или значение «1», или значение «0»; либо то, либо другое. Сила сигнала идет дискретно – только с одним или же только с другим значением. В мозге, в отличие от компьютера, сигнал способен передаваться ускоренно или плавно, также как может изменяться и чувствительность нейрона, принимающего данный сигнал.
Основной объем памяти в ЭВМ сохраняется в специально для этого предназначенных запоминающих устройствах. В мозге же не существует участков, в которых отдельно хранятся наши воспоминания. В запоминании и распознавании субъектов или каких-либо событий участвуют одни и те же нейроны.
Мозг человека обладает очень большим запасом прочности, что позволяет ему функционировать даже при опасных травмах. Это неудивительно, учитывая, что одновременно в нем обычно задействованы не более 2-3% нервных клеток. Современные компьютеры лишены способности восстанавливаться и работать при серьезных повреждениях, тогда как мозг человека от природы наделен удивительной компенсаторной способностью: при поражении даже обширных его участков работу продолжают выполнять оставшиеся неповрежденными части. Если же в программе компьютера испортить даже несколько бит или всего лишь один транзистор в процессоре – устройство мгновенно потеряет возможность функционирования, иногда даже без возможности восстановления. Мозг же способен выживать и работать, даже если ему перед этим на пять-семь минут перекрыть кислород.
Мозг, в отличие от компьютера, способен сосредотачиваться на важной для него в данный момент времени информации и не принимать во внимание несущественную. Мозг отыскивает информацию не по адресу, как компьютер, а по содержанию. Для компьютера нет никакой связи между адресом, по которому находится информация, и самой сутью этой информации, а для мозга – есть. Мозг человека способен восстанавливать информацию лишь по ее отрывочной части или же извлекать данные вследствие ассоциативного ряда. Человек мыслит, компьютер же просто обрабатывает информацию на основе алгоритмов. Компьютер работает с абстрактными символами, а мозг человека – с образами конкретных объектов. Мозгу человека присущи интуиция и воображение, а еще – желание все время получать новые впечатления, творческая активность, которая тесно связана со сном (во сне упорядочивается полученная извне информация). Компьютеру всё это недоступно. Скрытые возможности мозга поистине безграничны, в отличие от изначально заданных определенным образом системных параметров компьютера.
История отношений «мозг – компьютер»
Можно сказать, что история интерфейса «мозг – компьютер» насчитывает более ста лет. Еще в 1875 году, задолго до изобретения самого компьютера, английский физиолог и хирург Ричард Кэтон обнаружил электрические сигналы на поверхности мозга животного. В 50-е годы прошлого века появился первый нейроинтерфейс. Им принято считать Stimoceiver – электродное устройство, которое управлялось по беспроводной сети с помощью FM-радио. Оно было изобретено испанским и американским ученым Хосе Дельгадо и испытано в мозге быка. Демонстрация возможностей нового устройства была очень эффектной – на арене для корриды. Дельгадо вышел против быка, а когда тот побежал на него, нажал кнопку на пульте управления – впервые удалось изменить направление движения животного с помощью нейроинтерфейса.
В 1998 году был внедрен первый нейроинтерфейс в мозг человека. Пациентом стал американский художник и музыкант Джонни Рей. Думая или представляя движения рук, Рей управлял курсором на экране компьютера.
Но настоящий прорыв случился несколько лет назад, когда появились достаточно мощные компьютеры и новые алгоритмы. Если раньше можно было расшифровывать только самые простые намерения, например, хочет человек пошевелить правой рукой или левой, то современный нейроинтерфейс может управлять даже отдельными пальцами протеза руки. Для этого нужно внедрить на участке мозга, отвечающем за движение рук, более 100 электродов.
Рынок нейроинтерфейсов
По прогнозам Мarkets and Markets (октябрь 2016 года), рынок нейроинтерфейсов начнёт расти вслед за исследованиями расстройств и травм мозга, а также нарушений его работы. Кроме того, спрос на биосовместимые материалы будет дополнительно стимулировать рост рынка.
Среди факторов, ограничивающих рост этого рынка, Мarkets-and-markets упоминает прежде всего нехватку квалифицированных технических специалистов для создания и обслуживания сложных нейроинтерфейсов.
И, тем не менее, по прогнозам Аlliedmarketresearch (2015 год), объём рынка нейроинтерфейсов увеличится в период с 2014 года по 2020 год на 12% и к 2020 году станет одной из самых наукоёмких технологий в следующих областях (в порядке убывания доли на рынке): медицина, игры и развлечения, связь и телекоммуникации, «умные» дома.
Интересно, что доля полуинвазивных и инвазивных нейроинтерфейсов на рынке будет суммарно даже больше доли неинвазивных нейроинтерфейсов. «Все мы практически уже киборги», — так сказал в интервью самый известный современный инноватор и изобретатель Элон Маск.
По мнению Аlliedmarketresearch, рост рынка нейроинтерфейсов зависит от развития медицины мозговых нарушений, влияющих на движение частей тела, совершенствование инфраструктуры здравоохранения в динамично развивающихся странах, таких как Индия и Китай, а также использования сенсорных технологий и нейротехнологий в области игр и развлечений.
Среди крупных игроков, работающих на рынке нейроинтерфейсов — прежде всего американская Mind Technologies, а также ирландская Covidien, австралийская Compumedics, американская Natus Medical, японская Nihon Kohden, американские Integra Life Sciences, CAS Medical Systems и Advanced Brain Monitoring.
С чего все начиналось
Интерес к изучению мозга техническими методами возник сравнительно недавно — примерно на рубеже XIX и XX веков. В 1920-х годах исследователь Эдгар Эдриан предположил, что нейроны генерируют электрические импульсы и служат базовым элементом куда более сложной структуры. Позже Дональд Хебб разработал (1949) теорию пластичности синаптической передачи и нейронных ансамблей, что перевернуло представление об обязанностях, «закрепленных» за конкретными областями коры головного мозга. Оказалось, что при необходимости нейроны охотно меняют свои функции и нельзя выделить какую-то одну группу, отвечающую, например, за навыки информационной безопасности.
В 1960-х в лаборатории нейронального контроля Национального института здоровья США впервые попытались записать и обработать электрический сигнал с нейронов подопытной обезьяны. Пару десятилетий спустя эта же группа ученых экспериментировала с анализом мозговой деятельности уже в реальном времени, позволяя пациентам зажигать лампочки светового табло «силой мысли». Открывшиеся возможности окрылили исследователей, и варианты прикладных применений не заставили себя долго ждать. Первая научная статья, описывающая успешные эксперименты с «виртуальной клавиатурой» для парализованных людей, вышла в 1999 году (Нилс Бирбаумер).
Увы, мыслительные процессы человека оказались устроены гораздо сложнее, чем изначально предполагали ученые. Этим объясняется некоторый спад интереса к нейроинтерфейсам в начале XXI века. Однако история циклична, и сегодня многие проекты переживают второе рождение.
Во-первых, этому способствовал прогресс в аппаратном обеспечении. За последние несколько лет в продаже появились доступные по цене и относительно мало потребляющие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые можно успешно использовать в задачах оцифровки биологических сигналов. Например, сигма-дельта-АЦП ADS1263 имеет заявленное разрешение 32 бит, уровень собственных шумов порядка 7 нВ, максимальную частоту оцифровки 38,4 кГц и полное входное сопротивление около 1 ГОм. Эти качества позволяют использовать микросхему в системах сбора информации без дополнительных буферных усилителей.
Кроме АЦП, существенно продвинулись по характеристикам инструментальные усилители, входное сопротивление которых приближается к тераомам, а коэффициент усиления составляет десятки тысяч раз. При этом собственные токи утечек и токовый шум не превышают одного пикоампера, что помогает разработчикам проектировать крайне чувствительные схемы съема биопотенциалов.
Из более очевидных вещей: производительность наших компьютеров выросла в десятки раз. Не в последнюю очередь это стало возможным благодаря использованию GPU-, FPGA- и ASIC-микросхем для анализа сигналов в реальном времени. Кроме того, весьма популярная сегодня модель организации вычислений в облаке позволяет компаниям легко арендовать необходимые мощности, концентрируясь на главном.
Во-вторых, вместе с аппаратной частью эволюционировали и возможности нашего программного обеспечения. Появились дружественные к исследователям фреймворки, высокоуровневые языки программирования и многочисленные способы визуализации и классификации информации. Например, сегодня с помощью нейросети можно легко отслеживать возникающие события и корреляцию даже в зашумленных рядах данных.
Ниже на рисунке изображены основные группы алгоритмов, которые используются для поиска особенностей сигнала в реальном времени.
Что касается основного источника информации для интерфейса «мозг — компьютер», то тут особых изменений не произошло. Сегодня наиболее часто используются сигналы с электроэнцефалограмм. Альтернативным способом может быть функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) и магнитоэнцефалография. Однако, как ты понимаешь, разработать компактный томограф практически невозможно, а многомиллионная стоимость готовых аппаратов ограничивает их использование только крупными коллективами в компаниях и институтах.
Какое отношение это имеет к информационной безопасности?
Как ни странно, самое непосредственное. Не будем касаться этических вопросов использования нейроинтерфейсов — время расставит все по местам. Но важно понимать, что подобные устройства, как и любая сложная электроника, нуждаются в защите.
Сейчас все принято подключать к Интернету, очевидно, что нейроустройства также не минует данная участь: как минимум велик соблазн использовать Всемирную сеть для того, чтобы отсылать диагностическую информацию о состоянии владельца или самого устройства. И через подключение устройство может быть взломано.
Нейрокомпьютерные интерфейсы — что это и как работает?
Tweet
И это не говоря уже о недалеком будущем, в котором нейроинтерфейсы, вероятно, будут использоваться повсеместно. Представьте, вы вживили себе импланты, улучшающие зрение и слух, а через них вам транслируют рекламу или вовсе передают ложную информацию.
Еще более пугающе выглядит чтение мыслей, не говоря уже о записи мыслей. Если уже сейчас есть возможность считывать видеообразы (пусть и с большими помехами), то что будет, когда технология усовершенствуется?
Возможно, пока подобные опасения напоминают сценарии фантастических боевиков. Однако при тех темпах, которые в наши дни свойственны развитию и внедрению новых технологий, нейроустройства и сопутствующие их использованию проблемы могут войти в повседневную жизнь людей гораздо стремительнее, чем кажется сейчас.
P.S. А еще такая штука сейчас лежит у меня на рабочем месте. Если кому-то из сотрудников московского офиса «Лаборатории Касперского» интересно — заходите попробовать в свободное от работы время.
Что такое нейроинтерфейс и чем он может быть полезен?
Типы мозговых волн
Нейроинтерфейс — система для обмена информации между мозгом человека и электронным устройством. Это технология, которая позволяет человеку взаимодействовать с внешним миром на основе регистрации электрической активности мозга — электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Желание человека совершить какое-то действие отображается в изменениях ЭЭГ, что в свою очередь расшифровывает компьютер.
Нейроинтерфейсы бывают однонаправленные и двунаправленные. Первые либо принимают сигналы от мозга, либо посылают их ему. Вторые могут посылать и принимать сигналы одновременно.
Существует несколько методов измерения сигналов мозга. Их разделяют на три типа.
- Неинвазивные. Датчики помещаются на голову для измерения электрических потенциалов, создаваемых головным мозгом (ЭЭГ) и магнитным полем (МЭГ).
- Полуинвазивные. Электроды помещаются на открытую поверхность мозга.
- Инвазивные. Микроэлектроды помещаются непосредственно в кору головного мозга, измеряя активность одного нейрона.
Ещё один вариант использования нейроинтерфейса придумали американские учёные, разработавшие кибер-протез, способный улучшать человеческую память на 30%. Устройство формирует нервные импульсы, которые помогают пациенту формировать новые воспоминания, помнить лица родственников. Ожидается, что разработка поможет бороться со старческой деменцией, болезнью Альцгеймера и другими проблемами с памятью.
Помимо здоровья, нейроинтерфейсы можно использовать для личного развития человека, для работы и развлечений, а также для взаимодействия с окружающими. Итак, что интересного могут предложить нейротехнологии в этих областях?
Самосовершенствование
Самая, пожалуй, популярная область применения нейроинтерфейсов и всевозможных приложений — развитие каких-либо способностей человека. Этому посвящены разнообразные тренинги, системы развития ментальных способностей, системы изменения поведения, системы профилактики стрессов, СДВГ, системы по работе с психоэмоциональными состояниями и так далее. У такого рода деятельности даже свой термин есть, «Брейн-фитнес».
В чём суть идеи? В результате многочисленных исследований сформировались некоторые доказанные представления о том, как та или иная активность головного мозга соответствует состояниям человеческого сознания. Появились алгоритмы определения уровня внимательности, концентрации и медитации, ментальной релаксации. Добавьте к этому возможность считывать ЭЭГ и электромиографию (ЭМГ), и в результате мы получаем представление о состоянии человека на данный момент.
И когда нужно научиться вызывать конкретное психоэмоциональное состояние, человек тренирует себя с помощью устройства, к которому подключен нейроинтерфейс. Существует огромное количество программ визуализации ЭЭГ и психоэмоциональных состояний, мы не будем описывать их все. Тренировка вызова у человека необходимого состояния сознания выполняется с помощью технологии БОС ЭЭГ (биологическая обратная связь на основе электроэнцефалографии).
Как это выглядит на практике: родители хотят улучшить успеваемость своего ребенка и победить СДВГ (синдром дефицита внимания и гиперактивности). Для этого используют специальную программу (например, от NeuroPlus), выбирая в ней пресеты для тренировки нужных состояний: внимательности, концентрации, релаксакции, медитации, профилактики гиперконцентрации. Выбирают программу тренировки уровня концентрации. И запускают её.
Программа предлагает ребёнку тренировку, в которой нужно удерживать показатель волн Альфа и Бета выше определённого уровня. Волны не должны опускаться ниже определённого уровня. Одновременно с этим в окне программы проигрывается выбранный родителями видеоматериал. Например, любимый мультфильм. Ребёнок просто смотрит мультфильм, следит за уровнями Альфа и Бета волн и больше ничего не делает. Дальше в игру вступает БОС. Задача ребенка —поддерживать уровни Альфа и Бета всё время тренировки.
Если один из уровней падает ниже требуемого показателя, мультфильм прерывается. На первых занятиях ребёнок будет пытаться осмысленно вернуться к нужному состоянию, чтобы посмотреть мультик. Но через некоторое время мозг научится самостоятельно возвращаться к данному состоянию при выпадении из него (при условии, что мультик интересен ребёнку, а состояние для просмотра является «комфортным» для мозга). В результате у ребёнка вырабатывается умение вызывать у себя требуемое состояние концентрации, а также способность сохранять концентрацию на определённом уровне.
Выглядит страшновато, но не спешите пугаться и звонить в органы опеки. Есть и более простые решения на основе игр. Например, Mind The Ant от NeuroSky. Задача игрока — заставить муравья толкать предмет к себе в муравейник. Но чтобы муравей двигался без остановки, нужно поддерживать определенный уровень концентрации выше определенной отметки на соответствующей шкале.
Когда вы концентрируетесь на процессе, муравей толкает предмет. Как только уровень концентрации падает, муравей останавливается, и вы теряете время, ухудшая свой результат. С каждым уровнем игра становится сложнее, поскольку повышается требуемый уровень концентрации. Также появляются дополнительные отвлекающие факторы.
В результате регулярных тренировок пользователь вырабатывает способность поддерживать уровень концентрации и внимательности на выполняемой задаче, вне зависимости от отвлекающих внешних или внутренних факторов. Здесь всё как в спорте, невозможно получить спортивное тело, сходив пару раз в фитнес-центр или съев банку протеинов. Исследования в области БОС ЭЭГ показали, что результат от тренингов такого рода появляется только после 20 дней регулярных занятий длиной 20 минут каждое.
Развлечения
Нейрогарнитуры также дают возможность и развлекаться. Но все игры и развлекательные приложения параллельно являются и инструментами саморазвития. Играя в игры через нейроинтерфейс, вы используете осознанные состояния своего сознания для управления персонажами. И тем самым учитесь их контролировать.
Много шума в своё время наделала многопользовательская игра Throw Trucks With Your Mind. Управление персонажем происходит по стандартной схеме шутера от первого лица, однако сражаться с другими игроками можно только с помощью ментальных усилий. Для этого на мониторе игры отображаются параметры концентрации и медитации игрока.
Чтобы швырнуть в противника ящик, грузовик или любой другой предмет из игровой среды, вы должны поднять его в воздух при помощи своей ментальной силы, а затем бросить его в противника. Вам тоже может «прилететь», поэтому в стычке побеждает тот, кто эффективнее использует способность к концентрации и медитации. Сражаться силой разума с реальными противниками было весьма увлекательно. Из более свежих игр можно упомянуть Zombie Rush от MyndPlay.
Производители предлагают и более спокойные варианты игр. Вот, например, интересный обзор сразу нескольких популярных игровых приложений. Также стоит упомянуть игру MyndPlay Sports Archery Lite. Она простая: нужно сделать три выстрела из лука и набрать максимальное количество очков. За каждый выстрел вы можете получить до 10 очков. Используя видеоряд, игра погружает вас в свою среду, после чего вашему персонажу можно начинать целиться в мишень. В окне плеера появляется индикатор уровня концентрации. Чем выше концентрация, тем ближе к десятке попадёт стрела. Во втором выстреле для попадания требуется войти в состояние медитации. В третьем выстреле опять потребуется концентрация. Вот так наглядно игра демонстрирует интересные возможности нейроинтерфейсов.
Помимо игр, существуют и интерактивные нейрофильмы. Представьте: вы сели на диван, надели гарнитуру и включили интерактивный фильм про скейтеров. На каком-то этапе возникает момент, когда скейтер разогнался и вот-вот должен прыгнуть. В этот момент вы должны сами стать скейтером, чтобы сконцентрироваться на прыжке и держать уровень концентрации сознания, пока персонаж не закончит прыжок. При достаточной концентрации (соизмеримой с реальной жизнью и тем уровнем, который нужен будет в действительности) скейтер в фильме успешно совершит прыжок и сюжет пойдет далее до следующей интерактивной вилки. Если концентрация была так себе, то скейтер упадёт, а фильм пойдёт по другой сюжетной линии.
Аналогичным образом уже отсняли боевик в стиле Гая Ричи, а также целый ряд других фильмов. Фактически, сюжет и финал фильма напрямую зависит от ваших усилий. И это выглядит весьма интересно.
Простая и разветвлённая логика развития сюжета
Применение в работе
Помимо тренировочных и развлекательных программ разработчики создали большое количество приложений, предназначенных для профессионального использования. В качестве примера можно привести программу MindRec, которая создана для медицинских, спортивных, обычных психологов и психологов, работающих с представителями силовых структур.
Как она используется? Человек надевает на себя нейрогарнитуру, психолог запускает программу и приступает к сессии. Во время сессии выполняется мониторинг и запись в память компьютера следующей информации, а именно: уровень концентрации, внимательности, уровень медитации, сырой ЭЭГ сигал, в нескольких видах визуализации единовременно, в диапазоне от 0 до 70Гц. Сигналы, разбитые по частотным диапазонам, составляющим спектр основного сигнала. Разбивка производится на 8 диапазонов: Дельта, Тета, Низкая Альфа, Высокая Альфа, Низкая Бета, Высокая Бета, Низкая Гамма, Высокая Гамма. При необходимости выполняется аудио- и видеозапись действий пациента психолога.
Записанный материал можно пересмотреть, видя всё то, что отображалось в реальном времени во время сессии. Если психолог чего-то не заметил сразу, то при повторном изучении сессии или тренировки может изучить изменения волновых реакций головного мозга, сопоставить их с аудиовизуальной информацией. Это очень ценный инструмент для любого специалиста в данной области.
Другой вариант — нейромаркетинг. Нейрогарнитура позволяет проводить маркетинговые исследования, поскольку показывает эмоциональный отклик человека на определённые маркетинговые раздражители. Это намного эффективнее, поскольку при опросах и анкетировании люди далеко не всегда честны в ответах. А нейроисследование поможет увидеть реальный ответ, честный и беспристрастный. Собрав фокус-группу и проведя тестирование с помощью нейрогарнитуры, можно получить результаты, максимально соответствующие реальности.
Взаимодействие с внешними устройствами
Ещё одним интересным направлением работы с нейрогарнитурами является дистанционное управление внешними устройствами. Весьма популярны среди детей, к примеру, гоночные игры, которые допускают соревнование между двумя, тремя и четырьмя участниками. Вот хорошо известный пример таких игр:
Хочется побаловаться ещё с чем-то? Пожалуйста, вот другие разработки, которые тоже стали популярными.
Puzzlebox Orbit Helicopter
Игрушечный вертолет, который управляется силой мысли. Стандартная версия позволяет управлять высотой полета вертолета, но есть множество дополнений, которые превращают эту игрушку в мощный тренажёр для брейн-фитнеса. Обзор был на Хабре.
Лампа отражает ваше психоэмоциональное состояние в виде свечения определенного цвета. Идеально подходит для развития навыков медитации.
Force Trainer II
Презабавнейшая вещица. Создает голографическое изображение игровой среды и объектов внутри прозрачной пирамиды. А игрок, используя команды головного мозга, управляет этими объектами.
Ми-ми-мишные кошачьи ушки стали хитом во всём мире. Устройство полностью самодостаточно и не требует подключения к компьютеру или смартфону. Пользователь надевает ушки, включает их и получает возможность демонстрировать своё настроение (психоэмоциональное состояние) путём движения этими ушками. Кстати, аналогичный продукт, выполненный в виде хвоста, не стал популярным даже у себя на родине, в Японии. Куда в этом случае вставлялась гарнитура, можете додумать сами.
