«Уже сделали крыс, которые видят в инфракрасном свете». Интервью с разработчиком нейроинтерфейсов Михаилом Лебедевым

Интервью подготовлено при содействии создателей фильма «Мозг. Эволюция»

Что такое нейроинтерфейсы

— В 1960-е годы появились первые нейроинтерфейсы: люди научились считывать электрические импульсы мозга и попытались преобразовать их в движение. Есть ли принципиальный прогресс за эти 60 лет?

— Принцип остается тем же — нужно подсоединиться к активности мозга, преобразовать ее, чтобы попытаться считать мысли, эмоции, состояния, моторные команды, и затем перевести это к внешним приборам.

В 1960-е годы все были увлечены этим подходом и достигли хороших успехов в лечении эпилепсии.

Кроме того, сейчас постепенно начинают работать не только с электрическими импульсами, но и с химическими процессами мозга. Разработана технология «нейропыль»* — это маленькие частички, которые вводятся в мозг и затем передают какой-то вид информации. Первоначально планировалось, что они будут записывать электрическую активность, но потом сообразили, что они могут записывать всё что угодно, в том числе какие-то химические состояния, внутричерепное давление и так далее. В принципе, они могут записать любой сигнал, не обязательно из мозга, можно откуда-то еще. Это перспективный способ беспроводной записи информации о мозге.

* «Нейропыль» — это расположенная в мозге система из множества датчиков, которые получают питание и связываются с опрашивающим их устройством при помощи ультразвука. Технология позволяет использовать не один, а множество распределенных по мозговой ткани датчиков, которые дают точные данные, а отсутствие необходимости в проводах или замене батарей снижает риск заражения. В настоящее время «нейропыль» находится на стадии разработки и ограниченных экспериментов на крысах.

— Влияет ли химия мозга на импланты?

— Есть два основных класса методов — инвазивные и неинвазивные. Желательно всё делать неинвазивно, чтобы не надо было что-то вставлять. Но пока неинвазивно не получается, поскольку качественно записывать электрическую активность можно, только внедряя электроды непосредственно в мозг.

Организм не любит, когда в него вставляют посторонние предметы, и мозг пытается оградить себя от такого вторжения, окружая инородный предмет клетками, может даже соединительной тканью всё зарасти. Внедрение имплантов в мозг — это проблема.

— Насколько нейроинтерфейсы реально применяются в медицине?

— Полным ходом это не работает, но какие-то неинвазивные системы уже применяются. Вы можете пойти лечиться от депрессии, и один из способов, которые вам предложат, — нейроинтерфейс через ЭЭГ: на экране что-то происходит, и вроде бы вам это должно помочь. Не знаю, насколько это помогает. Здесь всё в зачаточном состоянии. Берется какая-то большая проблема — депрессия, причем у нее же может быть много вариантов, — и предлагается какой-то простой метод ее лечения типа транскраниальной магнитной стимуляции. Это очень грубые методы, воздействующие на большие зоны, — примерно как стучать молотком по мозгу, чтобы его улучшить.

— А передавать данные из компьютера в мозг или из мозга в мозг возможно?

— Это значительно проще, чем декодировать сигналы мозга, поскольку когда мы декодируем, то основываемся на каких-то корреляциях, но никогда не уверены, что считываем именно код мозга. Если же мы посылаем информацию в мозг, довольно грубо где-то стимулируем — сначала мозг удивляется, что происходит, а потом может эту информацию брать и использовать.

Можно посылать какие-то виды информации в мозг, в первую очередь для восстановления чувствительности у тех, у кого она потеряна, — слух, зрение, тактильная чувствительность. Например, у людей с ампутациями имеются фантомные конечности, которые испытывают боль, там идет шум, и мозг не знает, как его интерпретировать, он говорит: «Это что-то нехорошее происходит с моей рукой», — поэтому она болит. Если мы сможем заменить шум какой-то осмысленной сенсорной информацией, то боль уйдет и человек получит этот канал связи.

Можно подумать и о фантастических каналах связи — это вполне реально. Недавно провели эксперименты на обезьянах, где ученые стимулировали премоторную область, которая считается не сенсорной, а довольно высокоуровневой, и через некоторое время обезьяна выучила и мгновенно отвечала на паттерны стимуляции, которые обозначали некоторые предметы: там были формы ручки, чашки, ножа, вилки. Через 200 миллисекунд обезьяна поняла. Ей вживили несколько электродов, и разные их наборы означали разные предметы. Она получала различные импульсы и по ним обучалась методом перебора.

Есть и попытки передавать импульсы от мозга к мозгу, но это пока довольно примитивные эксперименты. Сидит один человек с неинвазивным нейроинтерфейсом, считывается ЭЭГ, и он медленно решает задачу — направо или налево повернуть. Как только он решил, этот сигнал передается на стимулятор, который стимулирует мозг другого человека, — и тот либо видит вспышку, потому что стимулируется зрительная кора, либо у него дергается палец, потому что стимулируется моторная кора.

— Вы упомянули о восстановлении чувствительности. Что сейчас происходит с работами по восстановлению зрения и слуха при помощи нейроинтерфейсов?

— Слуховой (кохлеарный) имплант сработал — сотни тысяч людей по всему миру уже его получили, это колоссальный успех. Со зрением пока не ясно. Где-то в 1970–1980-е годы началась эта работа, пошла вверх и потом заглохла.

Сейчас развивается имплантация в зрительную кору, а также отдельно импланты, которые идут в глаз, скажем, если сетчатка повреждена, но что-то осталось и можно попытаться восстановить зрение. Правда, ими пользуются всего несколько десятков человек в мире.

Такие имплантации проводят в США, Австралии и даже в России (но в России свои импланты не разрабатываются).

Исследования начались в 1960-х, но идут очень медленно, и я не понимаю почему. Если человек слепой и даже если ему восстановить какие-то грубые формы зрения — это будет колоссальный прорыв, но почему-то это не прошло. Когда в 2004-м умер Уильям Добеле, крупнейший исследователь в этой области, тема потеряла популярность.

Здесь, конечно, были и неудачи: испытуемый видел первую неделю, а потом что-то ломалось. Когда у человека что-то ломается, непонятно, что делать. Если ломается у обезьяны — можно ее снова положить на операционный стол, раскрыть и посмотреть, где с проводами проблема.

В целом нейроинтерфейсы до сих пор не достигли такого уровня, когда это практически удобно. В новостях постоянно пишут про нейроинтерфейсы, но на улице людей с ними нет. Даже с протезами — нет такого, чтобы человек пришел и кофе пил при помощи нейроинтерфейса. Практически нужный уровень контроля не достигнут.

Бывает, что имплант должен записывать сотни нейронов, а реально записывает 2–3, и если какие-то действия с таким протезом и удаются, то медленно и с трудом — человек руку по 10 секунд поднимает. Методика не отработана.

— Потенциальная ненадежность техники — еще одна проблема инвазивных методов. На каком уровне сейчас находятся экспериментальные работы с ними?

— Сейчас подъем. Он начался где-то в конце 1990-х, с тех пор шел неуклонно по экспоненте — и сейчас пик, даже Илон Маск этим занялся.

В основном это эксперименты на животных. Не потому, что животные страдают, они совершенно не страдают, имплант — это небольшая проблема. Но эксперимент может получиться, а может нет, могут имплантировать электрод, а он ничего не записывает. С человеком такое делать еще рано, впрочем, иногда делают: в Америке проводят клинические испытания, когда непосредственно в мозг вживляют электроды, правда, очень больным людям, которым уже нечего терять, но я такие эксперименты не поддерживаю.

— Насколько подробно мы можем понять, что человек думает, по электромагнитному излучению мозга?

— Пока мы можем понять что-то только в строго регламентированных экспериментальных ситуациях, где мы определяем условия какой-то простой игры. Например, у вас есть выбор и вы берете какой-то предмет. Затем это записывают, определяют, как мозг кодирует эту информацию, и пытаются декодировать.

Может быть интересно

Кому принадлежит ваша жизнь? Биоэтические войны между государством, церковью и наукой формируют будущее человечества

Если просто подсоединиться к мозгу и декодировать без регламентирования — вы ничего не поймете. Чтение любой мысли невозможно.

— Можем ли мы понять структуру мозга по сигналам от него? Решить, так сказать, задачу, обратную по отношению к распознаванию.

— Это не осуществлено. В Европе выделены миллиарды под такой проект: посмотреть, как устроен мозг, и смоделировать его. Но ничего не получилось, потому что основная проблема — непонятно, как работают эти схемы.

Если взять схему и попытаться идеально смоделировать, всегда будет маленькая, но ошибка. Если модель станет больше, ошибка разрастется — и в результате будет моделироваться ошибка, а не реальная работа мозга.

— А насколько системы нелинейны? Насколько ошибку реально оценивать?

— Они совершенно нелинейны и работают очень сложным образом. Примерно одни и те же области мозга обслуживают одновременно множество вещей. Я могу и говорить, и сидеть, не падая со стула, и еще смотреть по сторонам — всё это одновременно существует в мозге, и он может переключаться. В этом смысле мозг, конечно, сложнейшее устройство, которое в чем-то уступает компьютерам. Например, компьютер лучше играет в шахматы, но такой разнообразный набор функций — уникален.

— Есть движение, связанное с DIY-нейроинтерфейсами — они отстают от промышленных или это одно и то же?

Инсталляция художника :vtol:, управляемая при помощи нейроинтерфейса

— Это одно и то же. Кстати, DIY даже честнее. Скажем, вы покупаете в компании нечто, что по описанию считывает ваши мысли, код закрыт, сигнал вы даже не можете посмотреть, а просто видите какие-то картинки на экране в форме игры.

Как правило, они работают на каких-то артефактах. Например, движение глаз вызывает электрический артефакт, или, скажем, на голове очень много мышц, которые тоже дают сигнал, который можно интерпретировать. Так что если коммерческая компания убеждает вас, что считывает мысли, то это совсем необязательно так.

Артефакты значительно сильнее, чем сигнал мозга.

Если же человек это делает сам дома, он всё может посмотреть точно так же, как ученый, и нет никаких проблем, что «вы не ученый».

— Насколько технология нейроинтерфейсов будет способна в какой-то момент не к протезированию, а к расширению возможностей в том числе у здоровых людей?

— Это очень широко обсуждается и называется «расширение функций мозга».

Например, уже сделали крыс, которые видят в инфракрасном свете.

У крысы стоят датчики инфракрасного излучения, от датчика идет сигнал к электроду, который стимулирует сенсорную область коры, — и всё, крыса обретает способность видеть в инфракрасном свете.

— Она видит так же, как в видимом свете, или это ощущение другого плана?

— У крыс это работает практически мгновенно — они приспособлены использовать любую информацию себе на пользу. Иногда у крыс стимулируют сенсорную кору, иногда зрительную. Если стимулируют зрительную, то со второй попытки она понимает, что это значит. Если говорить о более высокоорганизованных организмах, то они пытаются концептуализировать. Если то же самое сделать с обезьяной, ее первая реакция будет «что за ерунда?», и 10 дней потребуется, чтобы убедить эту обезьяну, что то, что мы с ней делаем, имеет смысл. По мере практики она обучится. У меня даже есть подозрение, что таким способом можно вырабатывать новый квалиа.

— А с людьми подобные эксперименты были?

— Были, но очень мало, потому что, как правило, это человек, который находится в нейрохирургии, ему вставляют электрод, стимулируют и говорят: «Что ты чувствуешь?». Он отвечает: «Какое-то ощущение онемения в пальце». Они пишут: «онемение» — всё, через 5 минут эксперимент закончен. Никогда он не продолжается длительное время. Думаю, что если его продлить, то ощущение может трансформироваться и стать чем-то бо́льшим.

— В какой момент нейроинтерфейсы станут как-то влиять на окружающий мир? Например, в медицине для людей с ограниченными возможностями это реально может стать доступным как специфический гаджет, например, как способность видеть в инфракрасном свете.

— Я думаю, в медицине через 5–10 лет нейроинтерфейсы будут широко распространены. Вне медицины технологии развиваются довольно быстро и развиваются системы, которые полностью имплантируемы и используют Wi-Fi для общения.

Если из человека торчат какие-то провода, то возникнет инфекция — это не практично. Как только разработают хорошие импланты, это станет популярно. Вплоть до того, что вы будете доставать свой телефон и говорить: «Ну, как мои нейроны поживают?»

Кто создает нейроинтерфейсы

— Вы закончили аспирантуру в России или уехали достаточно рано?

— Уехал я достаточно поздно, мне было 28 лет. Я закончил МФТИ, факультет общей и прикладной физики, но никогда в области физики не работал, а всегда работал с живыми системами. У нас была кафедра живых систем. Потом я работал с Виктором Семеновичем Гурфинкелем по моторному контроллеру человека, это был Институт проблем передачи информации. В частности, Гурфинкель — первый в СССР, а может и в мире, разработчик биоэлектрического протеза, протеза руки, управляемого электрической активностью мышц. Где-то в 1991 году, когда здесь была перестройка, всё стало свободнее, я поехал в Америку и там закончил аспирантуру по нейробиологии. Я исследовал разные области мозга обезьяны, на крысах работал — это были совсем необязательно нейроинтерфейсы, ими я стал заниматься уже в начале 2000-х. Моя основная деятельность — я нейрофизиолог.

— Исследователи нейроинтерфейсов — это люди с инженерным образованием или нейрофизиологи?

— Больше всего продвигаются люди, которые понимают в математике и программировании. В целом при создании нейроинтерфейса биология не так важна, поскольку для нас активность мозга — это некий сигнал, который нужно обработать, и его природа просто теряется. Нужно смотреть, на какие параметры завязан сигнал.

Конечно, нужны какие-то навыки работы с обезьянами, нужны и нейрохирурги, которые смогут осуществить операции.

— Какого рода проектами в области нейроинтерфейсов вы занимаетесь?

— Я 15 лет работал на обезьянах. Имплантировал им в мозг электроды, и они управляли виртуальной рукой или ходили по беговой дорожке, пока считывались сигналы, которые кодируют ходьбу. Сейчас я получил мегагрант в Высшей школе экономики, и там у нас Центр биоэлектрических интерфейсов, мы работаем с эпилептиками.

Мы разрабатываем и нейроинтерфейсы, и методы картирования мозга, пытаемся получить хорошо интерпретируемый сигнал. Потому что в нейрохирургии хирургу обязательно нужно знать, где что находится. Например, если он по ошибке удалит речевой центр, то человек проснется и не будет говорить. Раньше картирование происходило с помощью электрической стимуляции: стимулировали разные места мозга и вызывали движения, по ним и судили. Но нейростимуляция — грубый метод, это раз, а второе — сама стимуляция может вызвать эпилептический приступ.