Читання і перезапис мозку: технологія з'явиться через 5 років?

1. виміряти
2. розпізнати
3. переписувати
4. розуміти
5. Михайло Лебедєв, науковий співробітник Центру нейроінженеріі Університету Дьюка

Запам'ятайте цю дату: дослідники Технологічного університету в Тоехасі обіцяють, що через п'ять років - вже у 2022-му - з'явиться працюючий пристрій і мобільний додаток для читання думок і спогадів. А де читання - там і запис?

Для оптимістичного прогнозу професора Цунео Нітти є цілком зрозумілі підстави. Навесні 2017 року його команда показала систему, яка зчитує електричну активність клітин мозку, вгадуючи задуману людиною цифру або односкладове слово. Роком раніше їх американські колеги навчилися визначати вид картинки, на яку дивиться людина, - зображення особи або будинку - по збудження нейронів його зорової кори. Все це стало можливим завдяки вдосконаленню старих методів реєстрації активності клітин мозку і новим підходам до інтерпретації цих «гучних» даних.

Справді, наші думки, спогади і сни нематеріальні, але у них є матеріальний субстрат. В основі відбуваються в мозку процесів лежать узгоджені збудження нейронних патернів, спалахи активності в ансамблях клітин. Навчаючись і накопичуючи досвід, мозок перебудовує ці патерни, створюючи і зміцнюючи одні зв'язку, послаблюючи і видаляючи інші. Скачки їх електричної активності можна виміряти, а знайшовши більш-менш стійкі патерни клітин, «спалахують» разом, - розпізнати їх. Однак труднощі нас чекають вже з першого кроку ...

Машина вчиться читати Розробники навчають штучний інтелект інтерпретувати дані активності нейронних патернів, пов'язаної зі сприйняттям зображень. Коли навчання закінчено, систему можна перевірити навіть на раніше незнайомих їй об'єктах.

виміряти

Найточніший спосіб дізнатися активність нейронів - підвести прямо до них тонкі електроди. Так діяли ще піонери вивчення мозку, так працюють вчені і зараз, хіба що датчики стали миниатюрнее і чутливіші, а головне - їх стало більше. Масиви з десятків тисяч мікроелектродів моментально реєструють порушення з дозволом до окремих клітин. Саме вони дозволили визначати, будинок або особа бачить людина, за активністю нейронів зорової кори його мозку. А Михайло Лебедєв і його колеги з групи професора Мігеля Ніколесіса імплантували електроди в моторну кору мавпи, розшифрували її команди і передали на роботизовану руку, так що тварина навчилося вистачати нею банан. Чудово - якщо б не одне але.

Михайло Лебедєв експериментував на макаках; в дослідах із зоровою корою використовувалися хворі на епілепсію, які проходили хірургічну операцію. Навряд чи людина при здоровому глузді погодиться на настільки небезпечне втручання тільки потім, щоб хтось імплантував електроди йому в мозок. На щастя, існують і неінвазивні підходи до вимірювання активності нейронних патернів. Найпопулярніший з них - електроенцефалографія (ЕЕГ), електроди для якої накладаються на шкіру голови. Результат вони дають не такий точний, зате не вимагають ризикованих маніпуляцій на відкритому мозку.

Обидва методи працюють тільки для процесів, що відбуваються неглибоко під поверхнею мозку. Побачити його у всьому об'ємі можна за допомогою томографії, і її часто використовують вчені. Але для повсякденного «читання думок» це спосіб довгий і громіздкий. До того ж нас цікавлять саме верхні шари, де локалізовані вищі функції: все найцікавіше лежить на поверхні, доступної ЕЕГ і електродів. Залишається ці дані ...

розпізнати

Характеристики ЕЕГ у людей неповторні, як відбитки пальців: їх цілком можна використовувати для ідентифікації особи. Патерни нейрональної активності у різних людей схожі лише в загальному, а деталі складаються в процесі розвитку мозку і накопичення досвіду. Однак в останні роки ІІ навчився знаходити загальні закономірності в картинах активності мозку, що відповідає тим чи іншим образам.

Зовсім недавно, влітку 2017 року, ІІ дозволив вченим досить точно відновити деталі людського обличчя, фотографія якого пред'являлась мавпі з імплантованими в зорові зони мозку мікроелектродами. Потрібно лише навчити машину на досить великій вибірці вихідних даних, щоб потроху комп'ютер став розрізняти їх самостійно, все краще і краще.

Принципової різниці між організацією патернів в моторній корі або зорової немає, змінюються лише деталі представлення інформації різними системами мозку. Інша річ - індивідуальні відмінності, через які алгоритм потрібно попередньо навчати на даних того ж людини, думки якого ми збираємося прочитати. Втім, є надія, що завдяки швидкому розвитку штучного інтелекту ця задача буде вирішена, і комп'ютер зможе працювати і з мозком незнайомої людини, зчитувати його думки і навіть їх ...

переписувати

Активність нейронних ансамблів можна не тільки реєструвати, а й змінювати і навіть створювати їх штучно. Професор Брайан Уілтген з Каліфорнійського університету в Дейвісі впливав на спогади, пригнічуючи збудження певних клітин гіпокампу. Стимульовані у мишей неприємні переживання слабшали, а потім і зовсім пропадали з пам'яті. Вдається і зворотна задача: точкове збудження нейронів дозволило відновити втрачені спогади у тварин з аналогом людської хвороби Альцгеймера. На жаль, використаний при цьому підхід - оптогенетики - людям знову не підійде: для збудження нейронів в них вносять гени білків, чутливих до світла, після чого опромінюють лазером крізь невелике «віконце» в черепі.

Але і в цьому випадку, крім інвазивного методу, існує цілком безпечна альтернатива. Транскраніальна магнітна стимуляція (ТМС) - техніка, за великим рахунком зворотна ЕЕГ. Збудження нейронів домагаються, стимулюючи їх магнітним полем, яке створюють закріплені на черепі електроди. Джоель Уоссо з Північно-Західного університету з колегами вже показали, що ТМС-вплив на гіпокамп стимулює пам'ять і допомагає хворим тим же Альцгеймером. Залишається лише дочекатися удосконалення цього методу: коли він дозволить цілеспрямовано впливати на окремі нейрони, справа буде в капелюсі. Чи ні? Адже навіть отримавши у свої руки інструмент для «перезапису мозку», нам доведеться сформулювати, що і як саме ми маємо намір в ньому міняти. А для цього мозок потрібно ...

розуміти

Виходячи зі знання одних нейронних патернів, ми не можемо передбачити, як будуть виглядати інші. За висловом Михайла Лебедєва, «читання думок можливо, тільки якщо це думка на заздалегідь задану тему» ​​- будь то особа, цифра або задумана карта з колоди. Але припустимо, що в майбутньому більш досконалі алгоритми навчаться і цього. Уявімо, що гаджет, який професор Нитта обіцяв через п'ять років, відобразить на екрані низку образів: ось щось синє, ось фігура однокласника, запах дощу ... Що скаже нам цей набір про переживання і почуття людини? Як скласти з цього цілісну думку? Для цього доведеться «прочитати» і інтерпретувати весь особистий досвід людини, а головне - зрозуміти, що ж таке сама думка і як вона складається з набору нейронних патернів. Судячи з усього, технологій «читання і перезапису мозку» доведеться почекати довше, ніж сподіваються японські вчені.

Михайло Лебедєв, науковий співробітник Центру нейроінженеріі Університету Дьюка

Прогрес в області інтерфейсів «мозок - комп'ютер» дійсно вражає. Це і успіхи в методах записи активності мозку, як інвазивних, так і неінвазивних, і поліпшене декодування, і вплив на мозок електричної, магнітної і оптогенетіческой стимуляцією. Недалеко той день, коли ці технології будуть застосовуватися повсюдно: наприклад, замість того щоб ковтати таблетку від головного болю, ви будете накладати стимулюючу сітку - і подібну ж сітку ви будете надягати на симфонічному концерті для зчитування вашого сприйняття музики і стимуляції емоційних зон мозку. Але в першу чергу нейроінтерфейси знайдуть застосування в клініках, де вони будуть використовуватися для лікування неврологічних поразок і психіатричних розладів.

Стаття «Читання і перезапис мозку» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №9, Сентябрь 2017 ).