Напрямую в мозг: что такое нейроинтерфейсы и как они могут изменить человека
В начале ноября стартап Илона Маска Neuralink, занимающийся разработкой нейроимплантов, получил от Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США добро на испытания технологии на людях. Для индустрии это важное событие, но не потому, что людям наконец-то будут внедрять в мозг нейроинтерфейсы. Это произойдет далеко не впервые, однако тут важен исполнитель. Стоит просто взглянуть на послужной список Маска: массовые электромобили, многоразовые космические корабли — эти идеи казались отдалённой фантастикой ровно до тех пор, пока предприниматель не превращал их в прибыльный бизнес. Так что разрешение испытаний Neuralink на людях может стать событием не только для индустрии, но и для всех людей планеты. Самое время разобраться, что такое нейрокомпьютерные интерфейсы, как они появились и куда могут привести человечество.
Что такое нейроинтерфейсы и как они появились
Нейрокомпьютерный интерфейс (Brain Computer Interface, НКИ) — это устройство, которое позволяет человеческому мозгу взаимодействовать c внешним программным или аппаратным обеспечением, таким как компьютер или, например, роботизированный манипулятор.
Эти устройства считывают электрическую активностью мозга и передают её вовне (обычно компьютер), где сигналы интерпретируются и связываются с определённым действием. В практическом смысле это позволяет носителю интерфейса превратить свои мысли в действия, например управлять курсором компьютерной мыши или протезом.
История нейроинтерфейсов началась с открытия Хансом Бергером электрической активности мозга и развития электроэнцефалографии (ЭЭГ). В 1924 году Бергер первым записал активность человеческого мозга с помощью ЭЭГ.
Первым устройством, которое можно считать нейроинтерфейсом, является Stimoceiver. В 1950-х годах Хосе Дельгадо, нейрохирург, протестировал его на мозге быка, заставив животное изменить направление движения с помощью НКИ.
Термин Brain Computer Interface придумал профессор Универститета Калифорнии Жак Видаль. Он же в 1977 году провёл первый эксперимент с нейроинтерфейсами, продемонстрировавший возможность управлять графическим объектом (курсором на экране компьютера) с помощью ЭЭГ.
В 1998 году Филипп Кеннеди впервые внедрил нейроинтерфейс в человека. Им стал художник и музыкант Джонни Рэй. Во время эксперимента Рэй, представляя движение собственных рук, мог управлять курсором на экране компьютера.
В 1999 году группа исследователей Яна Дэна из Университета Калифорнии расшифровала сигналы зрительной системы кошки и сумела воспроизвести изображения, которые мог воспринимать ее мозг.
За следующие четверть века учёные по всему миру произвели сотни различных экспериментов с НКИ — прежде всего в медицине. С разной степенью успешности нейроинтерфейсы облегчают реабилитацию людей с нарушениями деятельности нервной системы. В результате исследований возникло сразу несколько разновидностей нейрокомпьютерных интерфейсов.
Разновидности НКИ
Существуют три основных типа нейроинтерфейсов: неинвазивные, полуинвазивные и инвазивные. Инвазивные внедряются в ткань мозга пациента с помощью сложной хирургической операции. Из-за высоких рисков инвазивные НКИ пока что используются только когда другие опции недоступны — например, для пациентов в тяжелых состояниях, таких как паралич и другие нейромышечные нарушения. Полуинвазивные, как и инвазивные, имеют прямой контакт с мозгом, но только на его поверхности, без внедрения в ткань.
Неинвазивные НКИ — это устройства с электрическими датчиками, которые обычно крепятся на голове носителя и считывают электрические сигналы мозга, не касаясь непосредственно его тканей. Они хороши, когда точность не слишком важна: игры, дополненная реальность, управление простыми действиями роботов и других похожих задач. Такие нейроинтерфейсы сегодня можно встретить даже в магазинах детских игрушек: давно уже существуют игры, в которых управлять движением объекта можно с помощью «силы мысли» и специального устройства, которое надевается на голову.
Основное, кроме самого очевидного, различие между инвазивными и неинвазивными интерфейсами заключается в том, что первые способны снимать более детализированные мозговые сигналы, в то время как неинвазивным интерфейсам приходится работать с сигналами, в которых много шума. Из-за этого их сложнее интерпретировать, а важные нюансы такой интерфейс и вовсе может не уловить.
Нейрокомпьютерные интерфейсы также подразделяются на односторонние и двусторонние. Первые способны считывать сигналы мозга, вторые — ещё и транслировать их обратно в мозг. Одной из разновидностей двусторонних нейроинтерфейсов являются нейропротезы. Их цель — заместить функции недействующего участка нервной системы пациента.
Стартап Илона Маска работает над технологией инвазивных нейроинтерфейсов. Устройство размером с монету с особыми «нейронитями» начнут вживлять людям прямо в ткань мозга. Делать это будет особый робот-нейрохирург. Нити вживят в область премоторной коры, который участвует в движении запястий, плеч и предплечий. С помощью нитей компания надеется собрать детальную информацию о процессах, происходящих в мозге в тот момент, когда человек думает о движении рукой.
Нейроимплант Neuaralink
Компания объявила о наборе добровольцев. Её идеальный кандидат — взрослый человек моложе 40 лет со всеми парализованными конечностями. Цель испытаний — продемонстрировать, что технология способна безопасно собирать данные о деятельности мозга и правильно трансформировать их в команды, понятные компьютеру, — чтобы пациент мог научиться управлять им силой мысли.
Глобальная же цель Маска — создать продукт, который превратит любого человека в киборга, способного управлять машинами силой мысли, «скачивать» знания в виде обновлений и делиться ими с другими такими же киборгами.
Сферы применения нейроинтерфейсов
Медицина — самая очевидная и наиболее исследованная сфера применения НКИ. Они помогут справиться сразу с несколькими нерешенными пока задачами.
«Моторная» реабилитация и лечение неврологических заболеваний
НКИ дадут пациентам прямое управление экзоскелетами и роботизированными конечностями. Это станет возможным благодаря способности таких устройств читать сигналы непосредственно из мозга, в обход травмированного или поражённого болезнью участка нервной системы.
Кроме того, существуют исследования, доказывающие, что людям с боковым амиотрофическим склерозом (постепенный паралич мышц), церебральным параличом, инсультом ствола головного мозга, повреждениями спинного мозга, мышечной дистрофией или хроническими периферическими невропатиями (потеря чувствительности или, наоборот, её избыток) НКИ способны помочь если не полностью излечиться от недугов, то существенно облегчить их симптомы и улучшить качество жизни.
Возвращение речи немым
НКИ могут декодировать мысли человека в слова. Команда учёных из Стэнфордского университета разработала экспериментальный нейрокомпьютерный интерфейс, который может декодировать до 62 слов в минуту, что соответствует естественной скорости речи. В исследовании принял участие немой пациент, страдающий боковым амиотрофическим склерозом. Он пользовался специальной программой-словарём, которая предварительно была обучена распознавать до 125 000 слов в потоке сигналов от его мозга.
Мониторинг психического здоровья и когнитивные улучшения
Двусторонние нейрокомпьютерные интерфейсы в будущем помогут справляться с психическими расстройствами, такими как биполярное расстройство, обсессивно-компульсивное расстройство, депрессия и тревога, а также другими болезненными состояниями. Технология транскраниальной электромагнитной стимуляции предполагает целевое воздействие короткими магнитными импульсами на участки мозга, которые принимают участие в формировании психического состояния человека. В результате такой терапии симптомы нарушений устраняются, и человек чувствует себя лучше. Та же технология поможет и здоровым людям, поскольку открывает перспективы для точечных когнитивных улучшений: повышения концентрации, улучшения памяти, координации движений и т. д.
Изучение работы мозга
Хоть человеческий мозг постоянно и много изучают, огромная часть его функций и принципов работы остаётся для учёных загадкой. Использование нейрокомпьютерных интерфейсов позволит собрать беспрецедентные объемы данных о мозге и, как следствие, изучить его лучше. На практике это означает, что НКИ помогут полнее понять процессы, происходящие в мозге, например, в процессе обучения. Следующим шагом может стать направленная стимуляция этих процессов в те моменты, когда человеку нужно чему-то научиться.
«Теперь я знаю кунг-фу», — сказал герой фильма «Матрица» Нео, всего за несколько секунд получив «обновление» навыков через вымышленный нейроинтерфейс. При достаточном понимании мозговых процессов, связанных с обучением, это перестает быть такой уж фантастикой.
Полезные бытовые навыки
В конце концов, НКИ должны сделать жизнь более комфортной на простом бытовом уровне, иначе зачем их вообще изобретать! В нескольких исследованиях пользователи смогли управлять социальными сетями, почтовыми службами, виртуальными помощниками и сервисами мгновенных сообщений без использования двигательных навыков — всё через НКИ. Изменение освещения в помещении, смена канала на телевизоре — примеры того, как нейрокомпьютерные интерфейсы могут быть адаптированы для использования в бытовых целях.
Хотя все перечисленные примеры прикладного применения пока что либо умозрительны, либо находятся на ранней экспериментальной стадии, кое-какие направления уже покинули стены лабораторий и вышли на рынок.
Кроме Neurolink
Нынешний оценочный объем рынка НКИ невелик — всего $1,74 миллиардов, впрочем, к концу десятилетия он, по ожиданиям аналитиков, может вырасти до $6,2 миллиардов. Neurolink, благодаря репутации и медийным усилиям своего босса, прослыла самой знаменитой «нейроинтерфейсной» компанией, но есть и другие.
Например, стартап Neurable разрабатывает неинвазивную гарнитуру, которая считывает сигналы мозга носителя и анализирует их в поисках пиковых периодов концентрации в течение дня. Определив эти периоды, устройство автоматически отключает уведомления на телефоне, активирует шумоподавление в наушниках и включает режим «Не беспокоить» — чтобы владелец мог быть продуктивным в наиболее комфортное для себя время суток.
Оно также способно отслеживать, как различные песни и жанры влияют на концентрацию пользователя. На основе этого анализа система Neurable рекомендует человеку персонализированные плейлисты, а кроме того — регистрирует сигналы усталости мозга и предлагает делать перерывы.
Компания Precision Neuroscience разрабатывает полуинвазивный имплантируемый НКИ с уникальным свойством — в случае чего его можно извлечь. Cortical Interface Layer 7 — это тонкая пленка с микроэлектродами длиной примерно 1,5 сантиметра и толщиной меньшей, чем у человеческого волоса. Плёнка устанавливается на поверхность мозга без повреждения его тканей.
Основной своей целью Precision Neuroscience видит создание массовых НКИ, которые позволили бы исследовать и лечить неврологические заболевания не только крупным медицинским учреждениям, но небольшим исследовательским лабораториям с ограниченным бюджетом. В июне 2023 года Precision провела клиническое исследование своего имплантата на людях, и испытания признали успешными.
Компания Synchron вживляет НКИ в мозг пациентов через кровеносные сосуды. Имплантируемый через ярёмную вену нейропротез Stentrode доставляется в кровеносный сосуд, находящийся вблизи моторной коры. Восьмимиллиметровая гибкая чип-пластина передает мозговые сигналы на специальное устройство на грудной клетке пациента, а оно уже переводит мысли в клики и нажатия клавиш на компьютере или мобильном устройстве в режиме реального времени.
Synchron начали испытывать на людях еще в 2021 году, и испытания продолжаются. Сейчас этим устройством пользуются четверо американцев и трое австралийцев. Главная особенность технологии в том, что для её внедрения пациенту не нужно вскрывать черепную коробку.
Blackrock Neurotech тестирует свои устройства на людях с 2004 года — это одна из самых долгоживущих «нейрокомпаний» на рынке. Blackrock разрабатывает технологическую платформу, которая впоследствии используется в прикладных решениях, помогающих пациентам восстановить тактильные функции, двигательные способности конечностей или адаптироваться к использованию протезов, а кроме того, НКИ Blackrock позволяет своим носителям управлять цифровыми устройствами при помощи мыслей.
Испытания искусственных интерфейсов мозга проходят уже более полувека, положительные результаты существуют, однако они всё ещё не получили широкого распространения. По крайней мере, за пределами медицинской сферы. Тому есть три основных препятствия — получение одобрения регуляторов, финансирование и проблемы в области безопасности и этики.
Проблемы
Регулирование
Первое препятствие заключается в том, что НКИ обычно регистрируются как медицинские устройства и подпадают под юрисдикцию министерств здравоохранения и их аналогов. Это означает, что перед выходом на рынок продукт должен пройти немалое количество тестов и получить лицензии, условия выдачи которых во многих случаях не представляют и сами регуляторы. Одно дело — лицензировать градусник или тонометр, и совсем другое — сложное электронное устройство, которое должно работать с очень уязвимым и невероятно важным органом — мозгом. У регуляторов нет достаточного опыта в оценке подобных устройств, что создаёт дополнительные проблемы для компаний, желающих вывести свои продукты на рынок.
Экономика
Рынок подобных устройств пока сравнительно небольшой, сами продукты — очень дорогие, и без помощи страховых программ или государственных субсидий, которые могли бы покрывать их «установку», в первое время их смогут себе позволить очень немногие люди. Пока не начнёт расти количество клиентов, компании не получат возможности по-настоящему масштабировать технологию и снизить её конечную цену.
Риски безопасности и этика
Впрочем, экономические и бюрократические проблемы меркнут в сравнении с вопросами из области этики и безопасности, которые возникают в связи развитием с НКИ.
Пока речь ведётся о медицинском применении нейрокомпьютерных интерфейсов, особенно в части восстановления способностей пациентов с серьезными поражениями нервной системы, найти червоточину в технологии непросто. Однако стоит рассмотреть другие потенциальные сферы её применения, как возникает множество противоречий.
Во-первых, безопасность для здоровья. Поскольку практика применения НКИ на людях пока ещё весьма невелика, нет никаких данных, позволяющих оценить, какой эффект окажет на организм человека длительное использование таких устройств.
Во-вторых, информационная безопасность. Нейрокомпьютерный интерфейс — это беспроводное электронное устройство, способное взаимодействовать с нервной системой человека. Защищённость подобных продуктов от кибератак пока что никто серьёзно не проверял, но в соседней по медицинскому контексту сфере имплантируемых кардиостимуляторов прецеденты удачных взломов уже были.
В-третьих, личная безопасность. Когда Хосе Дельгадо с помощью прообраза нейрокомпьютерного интерфейса заставил своего быка идти туда, куда захотелось Хосе, помимо признания в научном мире, он получил также шквал критики за аморальность своего эксперимента.
Люди явно представили себя на месте быка, а ещё — те страшные сценарии, в которых пульт управления окажется в руках злоумышленника. Едва ли страхе общества перед такой возможностью уменьшится, когда технология начнёт получать массовое распространение.
В-четвёртых, этика. Простой пример: Министерство обороны США финансирует исследования по разработке беспилотных дронов, которые могли бы контролироваться оператором с помощью НКИ.
Это позволит солдатам «телепатически» управлять группами беспилотных летательных аппаратов — в том числе, отдавать приказы открыть огонь по живым целям. НКИ потенциально способны наделить носителя возможностями, значительно превосходящими те, что есть у людей без НКИ. Как оценивать результаты вступительных экзаменов в университет, если допустить, что у одних кандидатов будет чип, помогающий им лучше усваивать информацию, а у других — нет? Как организовать справедливый наем на работу, если у одних кандидатов есть технология, повышающая их продуктивность, а у других — только их мозг. И это далеко не все этические вопросы, связанные с НКИ, на которые пока что нет ответа.
Светлое (?) будущее
По замыслу своих создателей, в долгосрочной перспективе технология нейрокомпьютерных интерфейсов способна стать определенного рода третьей корой, еще одним уровнем человеческого мозга, который создаст устойчивую связь между человеком и машиной.
Это один из ликов светлого трансгуманистского будущего, в котором люди — уже не вполне биологический вид, способный управлять машинами и обмениваться информацией друг с другом напрямую, без дополнительных «физических» интерфейсов управления. Картинка всё еще выглядит кадром из научно-фантастического фильма, но стоит признать, что науки в ней становится всё больше, а фантастика превращается в реальность.
