Силой мысли: история нейроинтерфейсов, современные разработки и финансовые перспективы области06.10.2016 15:22

Что такое нейроинтерфейс

Идея нейроинтерфейса, почти как идея межзвёздного корабля, стара как сама фантастика. Тот, кто смотрел, например, сериал «Звездные врата», знает, что управление техникой силой мысли (то есть с помощью нейроинтерфейса) — это одна из основных технологий древних высокоразвитых цивилизаций.

Нейроинтерфейс (НКИ или интерфейс «мозг — компьютер») — это, в широком смысле, устройство для обмена информацией между мозгом и внешним устройством (компьютером, экзоскелетом, искусственными органами чувств, бытовыми устройствами или инвалидной коляской). Современный уровень технологий позволяет использовать однонаправленные интерфейсы, в которых внешние устройства могут либо принимать, либо посылать сигналы мозгу. Двунаправленные многофункциональные нейроинтерфейсы, взаимодействующие с мозгом фактически как его расширение — это пока дело будущего.

Нейроинтерфейсы сочетают технологии многих областей, в том числе информатики, электротехники, нейрохирургии и биомедицинской инженерии и различаются по типу: инвазивные (с вживлением электродов в мозг), частично инвазивные (с расположением электродов на поверхности мозга) и неинвазивные (на основе технологий регистрации электрический активности мозга внешними приборами).

Нейроинтерфейсы также различают по применению (управление или восстановление функции мозга) и области использования (медицина, военная отрасль, производство, игры и развлечения)

История и области применения нейроинтерфейсов

История интерфейсов «мозг — компьютер» насчитывает более ста лет. В 1875 году Ричард Кэтон обнаружил электрические сигналы на поверхности мозга животного, а в 1929 году Ханс Бергер опубликовал результаты опытов с ЭЭГ и установил способность мозга для электрической сигнализации.

Первым нейроинтерфейсом можно считать Stimoceiver — электродное устройство, которое может управляться по беспроводной сети с помощью FM-радио. В 1950-е годы Хосе Дельгадо, нейрохирург в Йельском университете, испытал его в мозге быка, и впервые изменил направление движения животного с помощью НКИ (нейрокомпьютерного интерфейса — прим. ред.).

В 1960-е годы нейрофизиолог Грей Уолтер, используя электроды на коже головы человека, зарегистрировал возбуждения от движения большого пальца человека. В 1972 году был создан кохлеарный имплант — первый нейропротез, ставший коммерчески успешным на рынке. Сегодня более 25 тысяч человек используют эти устройства, позволяющие глухим людям слышать.

В 1998 году Филип Кеннеди внедрил первый нейроинтерфейс в обследуемого человека. Им был художник и музыкант Джонни Рей. Думая или представляя движения рук, Рей управлял курсором на экране компьютера. В 1999 году группа Яна Дэна из Университета Калифорнии расшифровала сигналы зрительной системы кошки и воспроизвела изображения, воспринимаемые её мозгом. К 2000 году группа Николелиса создала НКИ, воспроизводящий движения обезьяны во время манипуляций джойстиком. А в июне 2004 года первый «человек-киборг» Мэтью Нэйгл получил полнофункциональный нейроимплант с нейроинтерфейсом от Cyberkinetics Inc.

В России с 2009 года в рамках проекта NeuroG разрабатываются алгоритмы распознавания зрительных образов человеком. В 2011 году в Политехническом музее Москвы проектом NeuroG была проведена демонстрация распознавания воображаемых образов.

Как видно, нейроинтерфейсы находятся на старте своих возможностей. Можно только представить, к чему эта технология может привести нас в будущем.

Но уже сейчас нейроинтерфейсы занимают ниши во многих областях применения. И первая область — это медицина. Нейроинтерфейсы используются в неврологической диагностике. Кроме того, уже существуют приборы НКИ-нейрофидбэка, которые способствуют восстановлению функций мозга — пациент учится управлять своим состоянием на основании такой обратной связи.

Другим перспективным направлением является нейропротезирование. Когда невозможен «ремонт» поврежденных проводящих нервов, например, в парализованной конечности, их можно заменить электродами, которые служат для проведения сигналов к мышцам. Сейчас, кроме кохлеарных имплантатов, существуют уже нейронные имплантаты сетчатки глаза, которые помогают восстановить зрение. В будущем такие системы могут быть использованы для манипулирования роботами-«аватарами».

Игры и устройства виртуальной реальности — вторая после медицины область применения НКИ. И здесь виртуальные роботы-«аватары», управляемые НКИ, существуют уже сейчас.

Принцип нейроинтерфейса (то есть, фактически, управление предметами «силой мысли») выглядит чрезвычайно привлекательным для потребителя. Действительно, кто откажется, например, с помощью НКИ и 3D-принтера «материализовать воображение», создавая представленные им предметы или предметы искусства — картины, виртуальные скульптуры или нейро-видео-арт.

Но с реализацией нейроинтерфейсов всё не так просто.

Сложности применения нейроинтерфейсов

Основной проблемой с инвазивными и полуинвазивными нейроинтерфейсами является повреждение нервной ткани электродом — нервы в месте контакта просто отмирают с течением времени. Необходимы технологии разъединения нервной ткани и электрода, обеспечивающие стабильное соединение. Другая проблема заключается в нахождении «правильного нерва» для контакта с электродом, что трудно в плотно упакованной коре мозга.

Не только мозг, но и вся нервная ткань является очень хрупким объектом. Это мешает созданию НКИ, контактирующих, например, с сетчаткой (где уже находятся пять слоёв нейронов визуальной обработки). Для устройств, взаимодействующих со здоровой сетчаткой, более перспективны не НКИ, а мини-дисплеи, проецирующие изображение непосредственно на сетчатку, или дисплеи-контактные линзы, которые уже сейчас можно увидеть в шпионских фильмах

Ещё одной проблемой является энергообеспечение нейроинтерфейсов. Здесь уместно вспомнить фильм «Матрица», в котором люди использовались в качестве батареек. И действительно, работа мышц производит достаточно электричества не только для миниустройств, но и для, например, встроенных телефонов будущего (например, дыхание — около 1 Вт, ходьба — более 50 Вт) — если часть этого напряжения использовать для нейроинтерфейсов, они могут работать без необходимости подключения к внешним источникам энергии.

Но самой серьёзной проблемой является точность НКИ. Если для инвазивных НКИ точность зависит скорее от нейрохирурга и материалов, обеспечивающих надёжный контакт с правильной группой нейронов, то для неинвазивных нейроинтерфейсов точность — это прежде всего точность алгоритмов обработки регистрируемой информации.

Задача неинвазивных нейроинтерфейсов — восстановить активность группы нейронов по электрическому или магнитному полю. Эта задача является математически некорректной — она не имеет единственного решения.

Есть и альтернатива — экспериментальное установление связи между желаемым результатом работы нейроинтерфейса (например, желаемым движением робота или протеза руки) и регистрируемой при этом желании активностью датчиков. Таким образом происходит «обучение» нейроинтерфейса, после которого он работает в режиме «желание определённого движения — команда соответствующим моторам». И, конечно, установленная связь далеко не всегда является точной, устойчивой к ошибкам, к активности других электродов и временным изменениям.

И тем не менее, рынок нейроинтерфейсов уже начал свой осторожный рост.

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.

Нейроинтерфейс у вас дома

Первое применение нейроинтерфейсов в области игр и развлечений — это произведённая в 2003 году шведской компанией Interactive Productline настольная игра Mindball, в которой два игрока с помощью электрической активности своего мозга управляют катящимся по столу мячиком.

Сейчас на рынке развлекательных нейроинтерфейсов можно выделить трёх основных игроков: NeuroSky, Emotiv и OCZ.

• NeuroSky, компания из Кремниевой долины, производит один из самых недорогих нейроинтерфейсов MindWave ($80), способный не только регистрировать четыре частоты мозга, но и моргание.
• Немногим дороже ($90) снятый недавно с производства Neural Impulse Actuator (или NIA) от OCZ Technology, способный регистрировать две частоты (альфа и бета), а также сокращения лицевых и глазных мышц.
• Наиболее продвинутым является Emotiv EPOC от Emotiv Systems (стоимостью в $299), регистрирующий 13 частот мозга, сокращения мышц и даже движения головы с помощью двух гироскопов. В отличие от трёх электродов в OCZ NIA, EPOC имеет 14 электродов.

Говоря об игровых нейроинтерфейсах, следует упомянуть связанную с ними иллюзию. Пользователь игровых НКИ — как коммерческих, так и созданных индивидуально — обычно считает что то, что он производит с их помощью, является следствием команд, желаний и состояний его мозга (то же написано и в рекламных буклетах).

В реальности электрическое поле, создаваемое на поверхности кожи даже небольшим напряжением подкожных мышц, превосходит электричество, вырабатываемое мозгом. Поэтому обычно напряжение лицевых мышц, сопровождающее «попытки напрячь мысль», фактически и управляет всеми игровыми НКИ.

Будущее нейроинтерфейсов

И, тем не менее, нейроинтерфейсы являются, пожалуй, одной из самых фантастических технологий, разработка которых приближает нас к новому, непохожему на сегодня, миру будущего.

НКИ потенциально позволяют, например, читать и записывать мысли. Сейчас нас отделяет от возможности определения того, о чём думает другой человек, лишь проблема отсутствия достаточно надёжных алгоритмов обработки регистрируемой информации. Впрочем, определить, например, думает ли человек о движении, вспоминает ли произошедший ранее разговор или представляет какой-то визуальный образ, можно уже сегодня.

Уже сейчас существуют исследования, способные «увидеть» изображения по их образам в зрительной коре мозга. Уже получено первое изображение сна. Пока соответствующее разрешение не превосходит нескольких пикселей — из-за проблемы неточности контакта электродов.

В будущем, когда НКИ будут распространены повсеместно, кто-то может использовать их для визуальных или звуковых спам-галлюцинаций или передавать ложную информацию.

Глубокая стимуляция мозга сейчас успешно используется для лечения болезни Паркинсона, а в будущем может быть успешно использована как для стирания, так и для создания воспоминаний, снов и визуальных образов.

Нейроинтерфейсы — потенциально очень мощная технология, она способна существенно изменить не только человеческое общество, но и самого человека, каким мы его знаем сегодня. Именно нейроинтерфейсы вместе с искусственным интеллектом и биотехнологиями будут способствовать превращению человека в новый кибербиологический вид, и далее — в новый тип организации материи, называемый футурологами и философами мыслящей материей.