Естественно-математические науки

Как объединить мозг и компьютер

grandwallpapers.net

Самое главное, что благодаря нейроинтерфейсу мы сможем восполнять утраченное после болезни.

Многие считают, что мозг похож на компьютер. Это происходит из-за современного уровня развития технологий: в другие времена были иные сравнения. В Европе эпохи Возрождения мозг называли «всеохватной книгой». Затем его сравнивали с театром и музеем, но современному человеку ближе всего компьютер, поэтому и аналогия соответствующая. У метафорической «компьютеризации» мозга есть откровенно слабые места, например, эмоциональность человека, которую сложно уложить в строчки программы. Конечно, учёных не оставляет желание соединить мозг и компьютер воедино и узнать, к чему это приведёт. Пока их деятельность приносит пользу, и это не может не радовать.

От мозга к компьютеру

Мозг — это сложная для понимания структура, предельно сложная, я бы сказал. О его деятельности, а значит и о нас самих, можно узнать несколькими способами. Большинство из них описаны в одном из моих предыдущих материалов (http://therunet.com/articles/1831-chto-vnutri-mozga), но главное — это электрическая природа деятельности мозга. Разумеется, сигналы между нейронами передаются при помощи химических веществ — нейромедиаторов. При этом саму работу мозга можно передать в виде карты биоэлектрической активности в коре головного мозга. Именно в коре происходит сознательная обработка сигналов, результатом которой является наша направленная деятельность. Если научиться считывать этот сигнал и преобразовывать его в команды для компьютера, мы можем получить пригодный интерфейс «мозг-компьютер» (ИМК).

Примером ИМК в популярной культуре является доктор Отто Октавиус из вселенной Человека-Паука. Доктор Октавиус был учёным-физиком, который изобрёл специальные щупальца, устойчивые к воздействию тепла и магнитного поля. Это приспособление помогало ему работать: чип управления был имплантирован доктору в спинной мозг. После несчастного случая нервная система человека и чип оказались слиты воедино, а щупальца приобрели свою волю. Чем закончилась история, вы можете узнать, посмотрев соответствующую часть фильма; сейчас нас интересует другое: насколько реально описанное в комиксе?

Есть ряд принципиальных ошибок, допущенных авторами. Во-первых, неправильно выбрано место размещения чипа. Внедрять электроды в спинной мозг — это опасно и не очень эффективно. Любое резкое движение или удар по чипу может привести к серьёзному повреждению нервной системы, и Отто Октавиус в лучшем случае будет хромать на одну ногу, если не будет вообще прикован на всю жизнь к кровати. Впрочем, и сигнал вряд ли получится достаточным. Есть ещё замечание насчёт функциональности конструкции устройства, но об этом позже. Во-вторых (и это уже больше клиническое замечание), вряд ли щупальцы стали самостоятельными. Скорее, после травмы и сильных переживаний у учёного помутился рассудок, и он превратился в психопата.

Если бы я был доктором Октопусом, то я бы поступил иначе. Изначально я бы избавил себя от риска повреждения мозга. Также я бы выбрал тот отдел мозга, деятельность которого максимально дифференцирована относительно движений. Для этого хорошо подойдёт двигательная кора головного мозга, расположенная в лобной доле. Из безопасных методов снятия сигнала я бы выбрал электроэнцефалографию (ЭЭГ) или магнитоэнцефалографию (МЭГ). Если ЭЭГ регистрирует электрическую активность мозга, то есть как электрические сигналы распространяются по мозгу, то МЭГ регистрирует магнитные поля, возникающие в ходе работы нашего главного органа. Алгоритмы расшифровки сигнала не так совершенны, и команды к искусственным конечностям поступают с небольшой задержкой в виду необходимости обработки большого количества информации. С накоплением опыта и техническим усовершенствованием процесса сигнал будет преобразовываться быстро, что упростит работу компьютерной руки.

Процесс использования ИМК будет выглядеть приблизительно так. Человеку на голову надевается шлем с электродами, которые размещены над двигательными отделами коры. Человек начинает думать, как он шевелит руками, представлять конкретные движения, а специальная программа преобразовывает активность головного мозга в чёткие движения, осуществляемые искусственной рукой. Вот здесь и кроется серьёзное ограничение для технологии ИМК. У нас две руки, а значит и моторных области тоже две. К сожалению, вряд ли мы сможем управлять больше, чем двумя руками, так что шестирукий Октопус мог шевелить только двумя щупальцами, да и то они бы повторяли его движения, а не обладали собственной активностью.

Для того, чтобы пользоваться искусственной рукой, необходима тренировка, которая ничем принципиально не отличается от обучения любым другим движениям. Даже обезьяну можно научить работать с подобными технологиями (http://medicalxpress.com/news/2013-11-brain-machine-interface-monkeys-virtual-arms.html), так что это вопрос времени и терпения каждого конкретного человека.

ИМК можно применять в самых разных областях: работа с опасными химикатами, операции на большом расстоянии. Самое главное, что благодаря нейроинтерфейсу мы сможем восполнять утраченное после болезни. Допустим, человек парализован после инсульта или автокатастрофы, и ему необходимо обслуживать себя. Искусственные руки ему очень пригодятся. Пример того, как это работает, можно увидеть здесь:

От компьютера к мозгу

Другой стороной процесса объединения человека и компьютера является передача сигнала с различных устройств в мозг. Этот принцип воплощён в нейропротезировании — восстановлении утраченной функции мозга при помощи технического приспособления. ИМК тоже можно считать вариантом нейропротеза, но у этой технологии есть применение и вне реабилитации пациентов. Нынешний уровень развития науки не позволяет существенно улучшать способности здорового человека в плане восприятия сенсорной информации. По этой причине нейропротезы пока применяются только у людей с ограниченными возможностями.

Самый распространённый нейропротез — это кохлеарный имплантант. Это устройство помогает слышать более чем 200 тысячам людей по всему миру. Людям с сенсоневральной тугоухостью имплантируется звуковоспринимающее устройство, которое передаёт сигнал в улитку — орган слуха внутри височной кости человека. После операции человек буквально учится слышать заново, потому что мир обрушивается на него лавиной звуков. Есть ряд медицинских противопоказаний для этой процедуры, но в целом это изобретение — нечто удивительное, на мой взгляд.

Также сейчас ведутся работы в области протезирования зрения. Большинство устройств работает по одному принципу. Визуальная информация фиксируется при помощи носимого устройства, а затем передаётся на первичную зрительную кору в затылочной области. Этот способ подойдёт для людей с повреждённой сетчаткой. Для пациентов с повреждением роговицы создаётся что-то вроде небольшого LED-телевизора, который транслирует изображение прямо на сетчатку. Конечно, есть ряд технологических трудностей, например, размещение устройства на коре головного мозга. К тому же разрешающая способность таких гаджетов далека от настоящей сетчатки. Мы можем себя обнадёжить тем, что это только начало пути. К тому же плохо видеть — это лучше, чем не видеть вообще.

Компьютер может рассказывать людям о них самих в режиме реального времени. Компьютер может регистрировать электрическую активность головного мозга, а также следить за пульсом и давлением, за объективными показателями стресса. Машина сообщает человеку, что с ним происходит, и тот начинает справляться с внутренним напряжением. Этому человека учит тот же компьютер, очень часто в игровой форме. Так работает метод БОС — биологической обратной связи. Ряд методик, основанных на БОС, применяется в психиатрии и наркологии для улучшения эмоционального состояния людей и для выработки у них навыка распознавания стресса и эффективной стратегии борьбы с ним.

Мозг — это не компьютер, он куда сложнее, чем нам кажется. Компьютер находит связь с мозгом и помогает ему в трудную минуту. Помогая мозгу, компьютер помогает и нам.