Путь к изучению мозга — километр, мы прошли 3 см

Давайте будем откровенны: машины выполняют работу лучше, чем люди. Заводские роботы высвободили наши руки, автомобили высвободили наши ноги. И сделано это благодаря изобретениям, придуманным человеческим мозгом. Как раз таки он и является следующим рубежом, который машинам предстоит разгрузить, починить и улучшить.

Молекулярный биолог Джефф Лихтман из Гарварда, начиная курс лекций перед новыми студентами, играет с ними в небольшую «угадайку». Он предлагает им представить весь путь до полного изучения мозга как 1 км и предположить, какое же расстояние на этом отрезке преодолело человечество. Студенты выдают самые разные ответы: треть километра, две трети, 900 метров. Но всех их профессор огорчает и немного шокирует: по его прикидкам — всего 3 см.

В Гарварде, конечно, речь идет о милях и дюймах, но это не существенно. Главное, что профессор демонстрирует, как мало мы знаем о том, что позволяет нам постигать и приумножать знания. Нейробиолог Моран Серф и вовсе считает, что если бы человеческий мозг был настолько простым, что мы смогли бы его понять, то мы сами были бы настолько простыми, что не смогли бы его понять. Да, эти ученые крайне любят каламбурить, когда речь идет о вещах, полное понимание которых займет у нас десятилетия.

Нейросеть с квадриллионом связей

Чтобы понять, как сложно связать компьютер с мозгом человека, придется сперва уяснить самые базовые принципы устройства последнего.

Мозг состоит из различных участков, которые наслаивались друг на друга в процессе эволюции нашего вида. Выделяют рептильный мозг, лимбическую систему (мозг млекопитающего) и относительно молодой неокортекс — новую кору (мозг человека). Самые древние участки, например, отвечают за такие банальные вещи, как дыхание, кровяное давление, сердцебиение, а самый молодой сегмент делает из нас человека разумного — позволяет мыслить и говорить.

Если взглянуть на мозг еще ближе, то мы обнаружим, что серое вещество состоит из миллиардов нейронов — крохотных клеток, которые связаны между собой дендритами и аксонами. По ним-то и проходит информация в виде электрических сигналов, которая обрабатывается нейронами. Каждый нейрон тем временем может иметь тысячи синаптических связей со своими «коллегами».

Помните, мы рассказывали вам про нейросети? Так вот, человеческий мозг — самая сложная нейросеть, созданная природой. Она насчитывает около 85 млрд нейронов. Представляете, сколько там связей? Квадриллион! Просто ад для сисадмина, который попытается все это упорядочить. Да и будь у него все время мира, вряд ли какой-нибудь человек согласился бы так долго сидеть перед сисадмином с откинутой черепушкой.

Слепой в библиотеке

Ученые понимают, как работает каждый отдельный нейрон, как они общаются друг с другом. Но схема электрической активности в мозгу каждого человека выстроена по-своему, то есть в каждом конкретном случае мозг управляет вверенным ему хозяйством по-особому. А когда дело доходит до сознания, памяти, арифметики… Могут ли машины осознать, что они являются машинами? Может ли мозг понять сам себя?

Понять мозг трудно еще и потому, что мы не можем построить карту его активности в высоком пространственном и временнóм разрешении. Аппараты МРТ, стреляющие в мозг радиоимпульсами, а затем анализирующие эхо, могут похвастаться высокой точностью построения воксела на трехмерной картине мозга. Но на снимок уходит почти секунда, тогда как электрические сигналы в мозге возникают почти мгновенно.

Датчики электроэнцефалограммы (ЭЭГ, сеточка с электродами на голове) мгновенно регистрируют активность в мозге, но обладают низким пространственным разрешением: источник сигналов глубоко внутри черепной коробки сложно идентифицировать. Конечно, можно вскрыть череп человека и разместить сеточку из электродов прямо на его мозге, чем и отличается метод электрокортикографии (ЭКоГ), но пространственное разрешение в таком случае увеличится не так сильно, как хотелось бы.

Существуют более глубокие инвазивные методы исследования активности в мозге, однако они также обладают недостатками, не позволяющими увидеть обширную и точную картину.

Нейроны, отвечающие за что-то конкретное, отыскать в мозге довольно сложно. Собственно, это объясняет и сложности в построении интерфейса, позволяющего мозгу напрямую разговаривать с компьютером. И если мы можем примерно понять, о чем говорит активность определенных участков мозга, то записать в него какую-то информацию либо изменить стимуляцию нейронов не так просто. Но возможно. И это ученые доказывают на практике.

Загрузка воспоминаний: 97%, 98%, 99%…

Наверное, наиболее известными трюками с памятью в популярной культуре можно назвать сюжеты из фильмов «Матрица» и «Вспомнить всё». В первом Нео обучается приемам восточных единоборств, загрузив их в свой мозг, а во втором герой Арнольда Шварценеггера оказывается жертвой ложных, записанных в его мозг воспоминаний.

Воспоминания хранятся в различных частях нашего мозга, где они разбиты по категориям: числа, буквы, имена, растения, эмоции. А поскольку категории эти формируются в процессе накопления опыта, то у разных людей они будут разными.

В 2011 году ученые сумели записать воспоминание мыши и сохранить его в цифровом виде на компьютере. В 2015-м международная группа нейрофизиологов опубликовала свое исследование по вставке ложных воспоминаний в мозг мыши. Ученые наблюдали за активностью в ее гиппокампе во время сна и за «центром навигации» во время бодрствования. А затем связали воспоминание об определенном уголке клетки с ложным ощущением удовольствия. По итогу грызуны начинали проводить больше времени именно в этом фиктивном уголке клетки.

Совсем недавно группа американских ученых отчиталась об использовании нейроимпланта, который улучшает память на 15%. Девайс работает как стимулятор, посылая в мозг электрические импульсы, чтобы помочь ему именно в те моменты, когда он пытается сохранить новую информацию. 15% — это примерно тот показатель усвоения информации, которого лишаются пациенты с болезнью Альцгеймера в первые два с половиной года.

Имплант базируется на годах работы по декодированию сигналов мозга, которая спонсируется Министерством обороны США. Это важный заказчик разработок в сфере нейроинтерфейсов.

Но пока обсуждения коммерческого применения аппарата только ведутся, а тесты проводятся на больных эпилепсией. Они, стоит отметить, частенько выступают подопытными для тестирования всевозможных полуинвазивных нейроинтерфейсов. Это когда проникают под череп, но не в сам мозг.

Дело в том, что эпилептики могут проводить с открытым мозгом довольно долгое время (вплоть до нескольких недель). В этот период на поверхности органа располагается матрица из электродов, которые отслеживают активность в мозге. И когда случается очередной приступ, врачи могут понять, чем он вызван, и принять решение о хирургическом вмешательстве. С согласия пациентов этот период нередко используется когнитивистами для тестов на память и записи результатов.

Ловкость руки и никакого мошенничества

В 2012 году настоящий фурор в СМИ вызвала история Кэти Хатчинсон — пленницы своего тела. Парализованная к тому времени более десятка лет, девушка, сохранив трезвый ум, потеряла контроль над большинством своих мышц. Однако ученые из Университета Брауна поместили на поверхность мозга Кэти чип BrainGate площадью меньше монетки, который позволил пациентке самостоятельно (и это главное!) управлять механической рукой.

Клинические исследования BrainGate продолжаются. Последнее достижение — серьезное ускорение калибровки импланта. Участникам эксперимента с параличом всех конечностей удалось взять под контроль силой мысли компьютерный курсор после всего лишь одной простой калибровки. 63-летний мужчина смог передвинуть его просто представив, как двигает рукой манипулятор. До этого калибровка заняла 37 секунд.

Такого эффекта удается добиться в том числе потому, что двигательная кора головного мозга за столько лет уже хорошо изучена. По этой причине считывающие электроды можно с легкостью поместить на нейроны, управляющие нужной конечностью. И вуаля! Развитие технологии движется семимильными шагами, оставляя надежду для сотен тысяч и даже миллионов людей по всему миру однажды снова начать двигаться самостоятельно при помощи экзоскелетов, управляемых мыслью.

Припомните, ведь такое уже было. В 2014 году чемпионат мира по футболу в Бразилии открыл как раз такой человек. Джулиано Пинто парализован ниже пояса, но благодаря прославленному нейрофизиологу и конструктору нейроинтерфейсов Мигелю Николелиса он смог выйти на поле и ударить по мячу. Контролировать экзоскелет силой мысли Пинто учился на протяжении нескольких месяцев, а по итогу во время трансляции телевизионщики уделили этому событию одно мгновение.

В 2013 году ученые из Университета Вашингтона провели еще один интересный эксперимент, установив связь «мозг — мозг» между двумя людьми через интернет. Первый ученый в ЭЭГ-шлеме двигал рукой вправо. Сигнал со шлема по интернету передавался другому ученому посредством магнитного импульса из прибора, размещенного над участком мозга, отвечающим за движения правой рукой. В результате она двигалась. Технически один человеческий мозг командовал другим.

Чтение мыслей на расстоянии

А сможем ли мы таким образом делиться своими эмоциями и другими невербальными сообщениями? Возможно, через некоторое время человечество объединится в единую телепатическую сеть, которая будет обмениваться идеями, сообщениями и чувствами с миллиардами людей на всей планете. Этакий коллективный разум, управляющий массами.

Но не пугайтесь, до этого еще далеко. Если с двигательным аппаратом ученые более-менее разобрались, то с сегментами, отвечающими за образы, все немного сложнее. Хотя и в этом направлении есть подвижки.

Профессор Джек Галлант из Калифорнийского университета в Беркли научился воспроизводить из мозговой активности то, что видит человек. Сперва испытуемому в аппарате МРТ долго показывают различные трейлеры с YouTube, фиксируя активность в головном мозге. Затем в дело вступает математическая формула, выработанная и «надрессированная» на десятках предыдущих испытуемых и снимках. Она находит связь между изображением на экране и снимками МРТ, активностью мозга. А затем пытается воссоздать то, что видит человек.

Конечно, о какой-либо четкости в деталях говорить пока не приходится, но похожие образы отыскать все же можно.

Соседи мистера Галланта пошли дальше и считывают целые слова из мозга пациентов, больных эпилепсией. С помощью ЭКоГ ученые записывают сигналы от мозга, когда пациентам говорят определенные слова. Когда слово повторяется, то и сигнал оказывается знакомым. А потому создать определенный словарь сигналов-слов-букв не представляется чересчур сложной задачей.

Правда, точность такого перевода далеко не во всех случаях стремится к 100%. Особенно если для этого используется неинвазивный метод с шапочками электродов на голове, а не мозге. Так, Guger Technologies демонстрировала одно время печатную машинку с мысленным вводом. Сообщалось, что за 10 минут тренировки скорость печати на такой установке могла бы достигнуть 30—50 знаков в минуту.

---

Пока мы очень слабо понимаем свой собственный мозг, чтобы грезить о слиянии с компьютерами и искусственным интеллектом в ближайшие годы. Но радует то, что самые смелые фантазии начинают воплощаться во вполне реальных экспериментах заслуживающих доверия людей.

Медицинские термометры в каталоге Onliner.by

Читайте также:

• Почему так сложно создать квантовый компьютер? С белорусским физиком объясняем технологию будущего
• Самый популярный научный блогер в РБ о доходах, поблажках в университете и рок-звездах научпопа

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by