Один из любимых экспертов ПостНауки Александр Каплан не только рассказал нам все о нейроинтерфесах, возможностях управлять своим и взаимодействии с внешними устройствами, но и показал свой кабинет, а также провел эксперимент с участником нашей съемочной команды. Об этом более подробно ниже.
То чем, занимается Каплан можно назвать развитием новой парадигмы в психофизиологии. До последнего времени ученые изучали по показателям его электрической активности, так как нейроны или работают на электричестве. Нервные клетки общаются между собой, передают информацию друг другу с помощью импульсов тока или того, что называется спайками. И вот возникла идея взять электрический сигнал и сделать из него команду для управления внешними устройствами. Это стало возможно благодаря электроэнцефалографии, которая раньше использовалась для диагностики заболеваний. Этот метод состоит в том, что электромагнитное поле от электрической жизни клеток пробивается через череп к поверхности головы на электроды, которые прижимаются к кожной поверхности.
Но преобразование этого электрического сигнала в инструмент управления внешней техникой вовсе не игрушка. Информация о внешнем мире, которую мы храним и синтезируем в себе, мы проявляем наружу с помощью мышц, это наш единственный способ, но все ли можно передавать через мысли?
Александр Каплан: «Это органичный канал, через который можно выразить внутренний мир, который создается на многих входах. Если бы был какой-то прямой канал выдачи информации из , мы бы могли, по крайней мере, что-то сравнить. Или разработать философскую нейрофизиологическую проблему. Мы говорим сейчас, что такой канал может появиться, если электрические сигналы использовать в качестве двигателя. Но это более общий аспект, а есть и прагматический аспект. Если мы получаем управляющий сигнал непосредственно от , то таким образом человек может непосредственно что-то сказать, не используя мышцы. Ровно эта ситуация возникает в ряде заболеваний. В частности, при инсульте. После инсульта люди могут оказаться обездвижены, моторная система может быть выбита. При этом, человек может находиться в сознании. Разрушены те области , которые связаны с моторикой.
Получается, мы видим два аспекта нового подхода. Если мы берем электрический сигнал и делаем из него командную систему, то мы делаем нейроинтерфейс. С одной стороны, , а с другой стороны, какие-то программные технические приспособления, которые позволяют электрическому сигналу проявиться в информационном, в двигательном или в управленческом отношении. То есть, мы получаем новый доступ к . А получает новый выход в мир. Разработка этого канала – это и есть тема для одного из современнейших разделов нейрофизиологии и психофизиологии. Можно сказать, даже психологии. Тема, о которой мы говорим, сейчас определяется емким термином. Интерфейс – это компьютера, нейроинтерфейсы».
Идея использования электрического сигнала в качестве канала для коммуникации возникла давно, но исследователи не сразу поняли потенциал такой инициативы. Проблема лишь в том, что канал этот медленный. Чтобы чем-то управлять, нужно совершать действия сразу же после возникновения мысли. Сделать такой быстрый канал в то время не представлялось возможным. А запрос на подобные технологии сформировался давно – больше всего они требовались в клинической области, когда у пациента работает , но нарушена моторика. Еще одна загвоздка в том, что такие устройства должны быть портативным, чтобы человек не зависел от огромной конструкции. Поэтому здесь появился запрос техники на микрочип, который регистрирует электрическую активность , на микропроцессор, который обрабатывает и расшифровывает и, наконец, на беспроводную связь. То есть, на беспроводную связь, которая регистрирует электроды.
А. К. :«Ключевым новым вопросом в этой области было понять, может ли человек произвольным образом изменять свою электрическую активность. Она меняется по естественным основаниям в силу действия внутренних механизмов . Но если я сам или кто-то может менять свою электрическую активность, это значит, что фактически уже возникает канал связи. И теперь расшифровывать нужно уже не признаки заболеваний, а признаки волевого действия: «Я хочу изменить электрическую активность в определенном направлении». Человеку нужно научиться сделать несколько движений в этой электроэнцефалограмме. Это будет несколько букв или несколько команд. А дальше мы уже договоримся. Например, изменение «А» будет значить включить телевизор. Изменение «Б» – включить холодильник и так далее. Либо можно печатать буквы. Но букв больше. Символов в алфавите или на пульте управления может быть много. Нельзя ли добиться такого, чтобы можно было получить много градаций изменений своей электрической активности? Это проблема, которой сегодня заняты ученые.
Надо сказать, что так просто менять свою электрическую активность никому не удается. Нужно что-то такое представить, чтобы оно имело хороший отклик в изменении электрической активности. Например, я представляю апельсин. К сожалению, не удается выявить хорошего четкого изменения в электрической активности, связанного с моим размышлением по поводу апельсина. Что делать? Оказалось, что только телесные образы дают хороший отклик. Например, я хочу сжать правую руку или левую руку. Я представляю, что я сжимаю правую руку. На самом деле этого не происходит как физического явления. Но в моем представлении уже есть сжимание правой руки. Это можно расшифровать.
Получается, что я действительно могу произвольно дать знать в энцефалограмме, что я хочу сделать. Значит заранее договоримся, что я сжимаю правую руку – это значит какая-то определенная команда. Но это всего несколько команд.
Мы сейчас говорим о ключевом достижении после открытия энцефалограммы и после расшифровки диагностических признаков заболеваний. Сейчас появляются признаки волевого усилия в самой энцефалограмме. Их 4 – 6. Но как же можно набрать буквы? Ученые пошли другим путем. Это разработка этого принципа – как получить признаки волевых намерений?
Ученые не стали требовать от человека большей образности или большего количества образов, которые он может представить. Они пошли другим путем, чтобы образы, представляемые человеком, откликнулись в электрической активности . Они предъявили эти образы снаружи. Скажем, будет матрица, в каждой ячейке которой будут нарисованы какие-то символы, буквы. Каждая ячейка в разное время начинает мигать. В непрерывной регистрации электрической активности можно поймать реакции на подмигивание каждого символа.
Находка исследователей заключается в том, что, если я задумал у себя какой-то символ, реакция на этот символ будет немножко другая. Условно говоря. Она будет усилена. И ничего противоестественного в этом нет. Я же хочу этот символ. Значит, должна быть какая-то другая реакция. А реакции на все остальные символы будут примерно одинаковые.
Наша задача – очень быстро выловить необычную реакцию. Если мы ее вылавливаем, значит мы понимаем, о каком символе идет речь. Если это буква, печатаем эту букву. Вот так, буква за буквой, человек переводит свое внимание с одного символа на другой. И теперь уже другой символ дает большую реакцию немного другую. Мы получаем, таким образом, намеренные отклики на волевое усилие человека. Таким образом, получается, что тем или иным способом волевое намерение, волевой импульс человека к тому или иному внешнему действию можно получить негласно, а просто регистрируя электрическую активность . Это, собственно, и есть технология интерфейс-мозг-компьютер".
Можно ли прочитать мысли человека?
С помощью расшифровок и дополнительных устройств можно понять намерения человека, но для этого надо заранее с ним договориться о том, что означает каждое изменение в электрической активности . Хотя мысли человека таким способом прочитать не получится, потому что мы заранее не договорились, что будут означать те или иные изменения.
А.К.: «Имеет место двойное преобразование. Сначала мы договариваемся с человеком о том, какой смысл будет иметь то или иное воображение (сжимать правую руку или левую руку или внимание к тому или иному образу, который дается извне – букве, символу, картинке). То есть, сначала мы договариваемся о том, какое действие будет производиться вовне. Скажем, если картинка музея, пусть тогда откроются на экране разные музеи мира. Но тогда надо проявить внимание к какому-то конкретному музею, откроется следующая картинка.
Ключевым здесь является то, что мы должны правильно догадываться о волевых намерениях человека, заранее обговоренных. Здесь вопрос расшифровки. Конечно, он не стопроцентно надежный как расшифровка любого кода. Всегда есть какая-то погрешность. Ученые борются за то, чтобы эта погрешность была меньше.
Если говорить о нашей лаборатории, то, если печатать буквы волевыми усилиями, то мы даем три – пять процентов погрешности. То есть, человек, только-только сел за аппарат, например. Ему поставили электроды. Поставили перед ним компьютер. Он будет печатать с погрешностью не больше 5%. Если он потренируется, некоторые люди у нас сто процентов безошибочно довольно долго печатают. Этого можно добиться. Проблема не в погрешности. Проблема в скорости. Как быстро можно расшифровать намерения человека? Эта задержка и определяет скорость взаимодействия с внешним миром.
Если мы набираем буквы, то это всего 15 букв в минуту. Это самая большая скорость, которую мы достигаем у нас в лаборатории. Это гораздо меньше, чем, если бы человек, не умеющий печатать на клавиатуре, двумя пальцами набирал буквы. Это было бы 90 букв в минуту. А здесь такая маленькая скорость".
Собственно такой эксперимент Александр и его ассистент провели с моей коллегой Олей – ей надели на голову специальный шапочку – эдакий шлем ужаса, и подключили 8 электронов. На экране выводили мерцающие треугольники, которые вращались по кругу. После того, как Оля прошла краткий обучающий курс и машина синхронизировала свои процессы и ее , тогда она, выбрав цвет и цифру, его обозначающую, думала именно о нем, и он появлялся на экране.
Что и кто
Во всех технологиях интерфейс-мозг-компьютер ключевой наукой является психофизиология. Эта наука владеет методами анализа деятельности нервной системы, а за механизмы нервной системы отвечает нейрофизиология. Она объясняет, как работает , как устроены нервные клетки, как они порождают электрические сигналы.
Когда ученые пытаются поймать реакции человека на какие-то внешние раздражители или на представления внутренних образов — это уже прерогатива психологии. Сам – это нейрофизиология, а содержание – это уже психология, образы, наши представления о внешнем мире, наши волевые усилия. Но нам надо скрестить это, потому что мы должны поймать эти психические явления в откликах нейропсихологического субстрата, то есть в электрических колебаний . То есть, на стыке физиологии и психологии рождается нейрофизиология.
В этой области работают соответственно физиологи и психологи, к ним же примыкают специалисты примерно трех дисциплин.
1. Биоинженерия. Это люди, которые могут конструировать приборы, например, регистрирующие биопотенциал. Конечно, можно сказать, что это обычный инженер-электронщик. Но все-таки большая специфика в регистрации биологических потенциалов, и особенно потенциалов , хотя они очень маленькие. Когда сигнал поймали его нужно расшифровать, и это большая сложность.
2. Математика. Расшифровка сигнала уже прерогатива математиков. Хотя сам математик не сможет расшифровать, ему нужно дать намеки. Это делают нейрофизиологи.
3. Программирование. Если есть инженерная часть: хороший сигнал, понимание, как расшифровывать, нужно это запрограммировать. То есть, нужно сделать надежный хороший софт, который прокрутит все эти расчеты на каком-нибудь вычислительном средстве. Значит, нужны программисты и не простые. Они должен понимать такие вещи, как быстрота действия. «Нужно не абы как программировать, а подобрать такие конфигурации (такие библиотеки), которые сделают это быстро. Потом их надо сделать на микроконтроллере. А не на обычном большом компьютере. Это должен быть междисциплинарный коллектив. Мы трудимся таким коллективом».
Будущее
В будущем нейроинтерфейсных технологий есть две ветви, которые могут пересекаться. Первое направление медицинское. Новые технологии нужны людям, которые физически не могут работать и не могут поддерживать нормальную коммуникацию, то есть они полностью выпали из общества. Важно в этой области найти специалистов, которые будут нацелены на установку и обслуживание этих устройств, приспособление к каждой конкретной категории пациентов.
Второе направление – нейрокибернетика.
А.К.: «Я сейчас имею нейрокибернетику реальных устройств, когда будет достаточно плотно коммуницировать с вычислительной техникой. И это настоящая нейрокибернетика, потому что должны появиться обратные связи. Например, мы хотим управлять манипулятором. У нас есть макет манипулятора с шестью моторами. Мы силой мысли или нашим волевым усилием должны как-то распоряжаться этими шестью моторами, чтобы он вытянул свою стрелу, что-то взял клешнями и передвинул в другое место.
Здесь должен заключаться какой-то внутренний собственный интеллект в виде формулы последовательности включения моторов. А я лишь только должен дать мысленную команду «вперед». И включаются последовательно моторы. Мы должны взаимодействовать с этим манипулятором. Он должен понимать, что я хочу от него, и организовывать это действие внутри своих моторов. Это настоящее взаимодействие между и внешним устройством. Эти устройства должны быть кибернетическими. То есть, не просто включить телевизор. Там никакой кибернетики нет. А это наше будущее – это когда мы получим действительно управляемые устройства, которые работают в содружестве с нашим . И это совершенно не та идея, которую исповедуют в фантастических фильмах типа «Робокопов», когда человек уже просто погружен в техническое средство и не может жить отдельно. Нет, это такие устройства как мобильный телефон. Я могу вытащить его из кармана и выбросить. Могу жить без него. Но накладываются какие-то ограничения. Однако они могут быть даже преимуществом. Так и здесь».
Проблема этики
Последняя область, которая касается нейроинтерфейсов — философско-гуманистическая проблема. Собственно, это проблема жизни . Все чаще мы сталкиваемся с ситуацией, когда умирает не по своей воле, а потому, что выходят из строя органы тела, которые обеспечивают его жизнь.
А.К.: «Конечно, возникает проблема продолжения жизни личности. Потому что основное, что содержится в нашей личности – это поддержание телом. Тело вносит свой вклад. Но память, наши воспоминания – это . Проблема сохранения личности – это проблема сохранения коммуникабельности с внешними устройствами.
Ведь, если мы управляем манипулятором, будучи в здоровом теле, им же управляет и . Если тело нездорово (например, полный паралич тела), человек может управлять манипулятором. Сейчас это все работает в США: в нескольких лабораториях сделаны такие манипуляторы, которыми управляет полностью обездвиженный человек, который не может даже говорить. При этом манипулятор может взять печенье, угостить вас. И это воля человека. Он не может ничего сказать, у него не движется ничего, но он вас угостил. И он может точно также печатать буквы. Поэтому, как быть в такой ситуации? Тело при нем, потому что органы, которые в этом теле, здоровы. Не здорова только моторная система. А если у человека вышли из строя сердце или печень, которые невозможно заменить? Можно ли тогда пойти на то, чтобы делать полный протез тела? То есть протез, который обеспечивает жизнью, но он уже будет не биологический? Биологическим будет . Как ему взаимодействовать с внешним миром? Нейроинтерфейс. Но это такая проблема, которая требует этического философского и гуманистического осмысления».
Все вышенаписанное, а также эксперимент в видео формате здесь.
Автор: JuliaP
