Письмо 14. Мозг — компьютер 174
Опубликовано в журнале Урал, номер 11, 2016
Мозг — это биологический аналоговый компьютер. Во всяком случае, рассматривая задачу создания нейрокомпьютерного интерфейса, я буду считать именно так. Этот компьютер очень мощный по своим рабочим характеристикам и удивительно энергоэффективный. Так, потребляемая мощность знаменитого компьютера Watson, который может отвечать на некоторые вопросы на естественном языке, составляет 85 000 ватт, а мозга человека — 20–30 ватт. При этом, конечно, возможности Watson ограничены одной, хотя и трудной, экспертной задачей1.
Тело человека пронизано нервной системой. Она включает в себя нервные волокна (провода) и органы чувств (датчики). Нервная система доставляет головному мозгу, как центральному процессору, информацию быстро и точно. Внутренняя «периферия» работает хорошо.
Как у всякого нормального компьютера, у мозга есть порты ввода-вывода, через которые он получает данные от внешнего мира и выводит преобразованную информацию. Порты ввода — это органы чувств человека. И они тоже работают хорошо, хотя и не всегда достаточно быстро. А вот с портами вывода дела обстоят много хуже. В основном за функции вывода отвечают голос (в первую очередь речь) и конечности (в первую очередь руки).
Если человек потеряет свои «порты вывода», например, из-за тяжелой травмы, он фактически окажется замкнутым внутри самого себя и утратит большую часть возможностей коммуникации с внешним миром.
Но даже если у человека все в порядке и с руками, и с речью, все равно эти «порты вывода» работают на архаичном уровне — медленно и неточно. Мы все время ошибаемся. Или скажем не то, что собирались; или напишем что-то такое, что вовсе не хотели: или чашку собьем со стола, или мобильник уроним… При этом мы постоянно подозреваем (и не без оснований), что мозг хранит редкие сокровища, но даже к информации, сохраненной в нашей собственной памяти, мы получаем доступ не всегда — каждый мучился, пытаясь припомнить имя малознакомого человека или цитату, которую прекрасно знает. Доступ к информации, хранящейся в мозге другого человека, и вовсе крайне ограничен.
Почему проблема нейрокомпьютерного интерфейса так обострилась сегодня, почему «порты вывода» мозга человека стали выглядеть архаично, как пишущая машинка или чтение вслух? Потому что есть чему (кому?) принять информацию в гораздо более продвинутом виде — быстрее и точнее, чем это умеет человек. И тот, кто вступил в диалог, — это компьютер, присоединенный к глобальной сети.
Весь XX век человек пытался заглянуть в мозг, то есть создать дополнительные порты вывода информации, которая там хранится, обрабатывается, преобразуется. Это трудно сделать, потому что мозг на такой «несанкционированный доступ» не рассчитан, и информация хорошо защищена от проникновения извне. И даже если нам удается пробиться к данным, «записанным» в мозге, «дополнительные порты» дают нам лишь что-то вроде доступа к жесткому диску, где находятся зашифрованные файлы, — в результате нам приходится по косвенным признакам догадываться о том, что же на самом деле мы обнаружили. Помогает то, что информация постоянно меняется, и когда известно, почему она меняется (например, потому что мы сами создаем внешние раздражители), то, сравнивая данные о состояниях мозга, мы регистрируем изменения и иногда что-то понимаем.
Впервые возможность такого «взлома» появилась благодаря открытию немецкого психиатра Ханса Бергера (1873–1941), который в 1924 году сумел зарегистрировать электрическую активность мозга человека. В своих опытах он вводил серебряные электроды под кожу головы испытуемого, замерял напряжение электрического тока и выводил данные на осциллограф. Бергер зарегистрировал волну с частотой 8–13 герц. Теперь она называется альфа-волной или волной Бергера, а сам разработанный ученым метод получил название ЭЭГ (электроэнцефалография) и с тех пор активно применяется при исследованиях мозга.
Вообще-то Ханс Бергер нашел не совсем то, что искал. Когда ему было двадцать, он разочаровался в астрономии и пошел служить в кавалерию. Во время учений его лошадь встала на дыбы, и он полетел под копыта и колеса конно-артиллерийскому расчету. Возница чудом успел остановить лошадей. В этот же день сестра Бергера, которая находилась в сотнях километров от места происшествия, дала его отцу телеграмму, что она крайне обеспокоена грозящей Бергеру смертельной опасностью. Бергер был убежден, что она получила от него телепатический сигнал. Вот эти сигналы мозга он и искал, уже став психиатром. И не нашел.
ЭЭГ относится к неинвазивным методам исследования мозга, то есть их применение не требует оперативного вмешательства (как, например, при вводе электродов напрямую в мозг). Из-за этого ЭЭГ теряет в точности, но зато гораздо проще в использовании.
Российские нейробиологи, работающие над проектом NeuroG2, в своих экспериментах используют датчики ЭЭГ, в принципе похожие на датчики Бергера, но гораздо более чувствительные. В этих экспериментах датчики крепятся на голове испытуемого, и по сигналам ЭЭГ с хорошей точностью можно определить, какой зрительный образ (из фиксированного набора) представляет себе испытуемый. При этом датчики ЭЭГ, используемые в экспериментах, сравнительно недорогие, и любой человек может присоединиться к эксперименту, купив такой датчик и зарегистрировавшись на сайте NeuroG.
Следующий (сравнимый с открытием Бергера) шаг был сделан в 1973 году, когда в журнале «Nature» была опубликована статья профессора химии Университета штата Нью-Йорк Поля Лотербура (1929–2007) «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе ядерного магнитного резонанса»3. Эта публикация имела важные последствия для всего человечества, поскольку именно она послужила толчком для развития методов магнитно-резонансной томографии (МРТ). МРТ позволила увидеть без оперативного вмешательства, как выглядит живой человек внутри и какие процессы происходят в его организме. И конечно, ученые сразу же начали применять МРТ при исследованиях мозга. Постепенно совершенствуясь, МРТ позволила в режиме реального времени наблюдать потоки крови в мозге. Это дало возможность увидеть реакции мозга на внешние раздражители. Оказалось, что мозг реагирует вполне функционально: та зона мозга, которая интенсивно работает в данный момент, получает более мощное кровоснабжение. Информация, собранная с помощью МРТ, выводится на экран компьютера. И ученый видит, как реагирует мозг на внешние раздражители.
В своих колонках я постоянно ссылаюсь на данные экспериментов, полученные с помощью ЭЭГ и МРТ. Но эти методы дают картину мозга в очень низком разрешении. Фактически мы видим, что происходит с целыми регионами мозга — с миллионами нейронов. Если ввести в мозг электроды, мы получим высокоточную картину, но очень небольшого количества нейронов — не более тысячи. А ведь в мозгу 100 миллиардов нейронов и более триллиона синапсов — межнейронных соединений. Чтобы исследовать мозг более детально, нужны новые методы, и эти методы постоянно разрабатываются4.
В октябре 2014 года Российская венчурная компания провела экспертный семинар «Дорожная карта Нейронета»5, посвященный проблемам создания сети, соединяющей мозг человека и компьютерную сеть. В семинаре участвовали ведущие специалисты по компьютерным интерфейсам из разных университетов мира.
Михаил Лебедев из университета Дюка представил эксперименты, поставленные на обезьянах. Обезьяне вводят пучок электродов в мозг (максимальный кластер 128 электродов) и регистрируют сигналы, возникающие в нейронах, когда обезьяна управляет джойстиком. Цель обезьяны — кликнуть мышкой по правильной иконке на экране: тогда в стакан наливается вкусный сок, который обезьяна очень любит. Сигнал, возникающий в нейронах обезьяны, записывается и обрабатывается, в нем выделяют движения рук, нажатие клавиш и т.д., то есть некоторые элементарные операции, которые совершает обезьяна, управляющая джойстиком. В какой-то момент, когда распознавание действий обезьяны становится достаточно устойчивым, джойстик отключают от компьютера. Обезьяна продолжает управлять отключенным джойстиком, но сигнал считывается непосредственно с нейронов, к которым подсоединены электроды, и передается на компьютер по беспроводному соединению. Оказывается, что очень скоро обезьяна вносит необходимые коррективы в свои действия (сигнал, передаваемый через электроды, все-таки отличается от того, который возникает при движениях рук и пальцев обезьяны, управляющей джойстиком, подключенным к компьютеру напрямую) и начинает столь же успешно кликать по иконке и получать заслуженную награду. В другом эксперименте обезьяна управляла удаленным роботом. Сигналы мозга, сопровождающие движения рук обезьяны, передавались по сети удаленному роботу, который снабжен специальным адаптером. Этот адаптер получал информацию от мозга обезьяны и преобразовывал его в сигнал, управляющий роботом: когда обезьяна сгибала руку — робот сгибал ногу, когда обезьяна делала шаг — робот делал то же самое. То есть он ходил, в точности следуя за сигналами мозга обезьяны. Это и есть некоторая пока еще довольно грубая схема Нейронета.
Для создания Нейронета нужно научиться передавать по сети информацию, считанную из одного мозга, другому мозгу. Анатолий Левенчук, президент компании «TechInvestLab», полагает, что для этого необходимо разработать специальный протокол, который он назвал «Нейровеб». Этот протокол должен работать поверх сетевого протокола TCP/IP примерно так же, как работает протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol или веб), только передавать Нейровеб будет не гипертекстовые страницы (HyperText), а некую другую информацию — состояние и активность мозга. То есть Нейронет — это: TCP/IP + Нейровеб.
Если по вебу передается результат деятельности мозга — текст, изображение, видео, то есть некоторый объект, полностью отчужденный от его создателя, то при нейровеб-соединении мы, как говорит Анатолий Левенчук, можем передать «щелчки», возникающие в физической нейронной сети. Если мы присоединим мозг к Нейровебу, возникнет реальная возможность «со-мышления», совместной работы как естественных, так и искусственных нейросетей. Насколько это вообще реально, мы еще поговорим в конце этой колонки.
Я говорил о новых «портах вывода» — доступе к информации, хранящейся и преобразующейся в нейронах мозга, но необходимо сказать несколько слов и о «портах ввода».
Еще в 1957 году возникла идея создания протезов, которые могли бы помочь при некоторых видах глухоты. В ухе человека происходит преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы. Эти импульсы передаются по слуховому нерву в центр обработки звука. Процесс преобразования происходит с помощью «волосков» — тонких и высокочувствительных отростков в ушной улитке. Эти волоски довольно нередко, особенно к старости, повреждаются, перестают выполнять свою функцию, и человек глохнет. Но такого рода глухота бывает и врожденной. Идея протеза проста: давайте выведем к ушной раковине (обычно на висок) микрофон, датчик с массивом электродов присоединим прямо к слуховому нерву и будем по беспроводной связи передать аудиоинформацию от микрофона к датчику. Тогда электрический сигнал от микрофона пойдет прямо в мозг, и человек будет слышать. Прошло несколько десятилетий, пока такое устройство — кохлеарный имплант — довели до ума и стали применять на практике.
Естественно, этот имплант помогает не при всех видах глухоты: в случае поражения слухового нерва имплант не поможет. После установки импланта пациент не начинает сразу отчетливо слышать — ему надо учиться, мозг довольно долго адаптируется к новому интерфейсу. Если человек несколько лет провел в полной тишине, имплант также помогает не всегда — слуховой нерв атрофируется. Но врачи часто советуют и после нескольких лет тишины рисковать и ставить импланты — в большом проценте случаев мозг развивает слуховой нерв буквально заново. Особенно эффективен кохлеарный имплант при его установке детям в раннем возрасте, тогда пластичный мозг ребенка адаптируется к такому «компьютерному слуху» наиболее точно.
Любопытно, что резкой критике кохлеарные импланты подверглись со стороны тех, кто в них, кажется, наиболее заинтересован, — его критикуют общества глухих. Активисты таких обществ утверждают, что установка импланта все равно не дает стопроцентного слуха, а ребенок уже не обучается языку жестов и может оказаться изгоем — чужим и среди глухих, и среди нормально слышащих. И более того, особая культура, которая веками создавалась на языке жестов, утрачивается, это — невосполнимая потеря. А ведь о том, что такая культура вообще существует, нормально слышащие люди даже не подозревают.
Но тем не менее сегодня установка кохлеарных имплантов — это довольно развитая индустрия: ими пользуется более 300 тысяч человек в мире.
Примерно так же, как кохлеарный имплант, действуют импланты, «подменяющие» зрение. Наиболее распространены сегодня импланты ретины (сетчатки). Именно поражение сетчатки является одной из главных причин потери зрения. Схема работы импланта ретины такова: изображение с видеокамеры, которая, как правило, размещается на специальных очках, передается на массив электродов, который помещается прямо на сетчатке. И уже электроды передают сигнал в зрительный нерв. Хотя таких имплантов установлено немного (не сотни тысяч, как кохлеарных имплантов, а просто сотни), но уже есть вполне работающие серийные продукты. Различные импланты ретины отличаются местом размещения (на поверхности сетчатки или между слоями) и количеством электродов в массиве — чем больше электродов, тем выше разрешение картинки, но тем больше энергопотребление, и при высоком разрешении нужны достаточно мощные внешние источники питания, а втыкать провод прямо в глаз довольно неудобно.
Кохлеарные импланты и импланты ретины частично заменяют наши органы чувств, но не вторгаются в мозг глубоко, а используют его собственные интерфейсные возможности.
Есть и более радикальные примеры. При болезни Паркинсона в мозг (в таламус) вводят электрод, и электрическая стимуляция часто оказывается очень полезной. Такая форма лечения болезни Паркинсона и при некоторых других расстройствах — сегодня уже норма. Такие электроды введены почти ста тысячам пациентов. А ведь этот интерфейс природой не предусмотрен.
В 2011 году нейробиолог из Университета Южной Калифорнии Теодор Бергер с коллегами опубликовал статью6, которая даже вызвала некоторую сенсацию. (Совпадение фамилий этого ученого и первооткрывателя ЭЭГ будем считать случайностью.) В статье описывался эксперимент по восстановлению долговременной памяти у крыс с помощью импланта –микрочипа, на котором эту память удалось сохранить.
Ученые ввели в гиппокамп (эта область мозга хранит память о пространственной информации) крысы массив электродов и считывали электрические сигналы, возникающие при различных раздражителях. В частности, крысам предлагали решить такую задачу: чтобы получить лакомство, животное должно было нажать на рычаг. Крысы — существа очень сообразительные, они этому быстро научились и запомнили, как рычаг нажимать. Сигналы, возникавшие в гиппокампе, ученые сумели не только сохранить, но и научились их активировать при определенных входных условиях, когда данные поступают в чип по интерфейсу нейрон—кремний. Потом с помощью лекарств была нарушена связь между двумя регионами гиппокампа, и крысы перестали запоминать, как им получить лакомство. Тогда чип был имплантирован в мозг — связь восстановилась, и память вернулась.
Вообще, связь живого нейрона с кремниевым чипом достаточно хорошо проработана: нейрон можно «приживить» к кремниевой подложке, и интерфейс между нейроном (в экспериментах это обычно нейроны именно крыс) и чипом будет работать — сигнал от нейрона к полупроводнику и обратно нормально проходит.
Бергер заявил, что совершено фундаментальное открытие и теперь надо переходить к экспериментам на обезьянах, а там недалеко и до человека. А тогда можно будет с помощью таких имплантов восстанавливать память при болезни Альцгеймера или при травме. Дальше дело несколько застопорилось. Мозг пока трудно поддается прочтению. Но опыт показательный — мы медленно, во многом пока ощупью начинаем выводить память из мозга на чип, а это прямой путь к созданию так называемого экзокортекса — цифровой копии (или дополнения) коры головного мозга.
В статье финских нейробиологов Кая Сотала и Харри Валрола «Слияние умов»7 совершенно всерьез обсуждается возможность передачи части функций мозга цифровому импланту — экзокортексу. В статье речь идет не о технической, а скорее о философской и этической проблематике, но рассматриваются не фантастические предположения, а вполне работающие технологии. Ученые, в частности, говорят о том, что, если такой экзокортекс будет реализован, он начнет работать далеко не сразу — его нужно будет достаточно долго обучать: чтобы он подключился к биологическому мозгу и начал нормально функционировать, могут потребоваться месяцы и даже годы, как при обучении новому языку или при приобретении нетривиальных моторных навыков. Но принципиальных ограничений, которые ставят непреодолимый барьер созданию цифровой копии живого человеческого мозга, ученые не видят.
Сегодня главным приложением экзокортекса видится именно сохранение памяти, неизбежно слабеющей с возрастом, и восстановление нормального функционирования мозга при болезни Альцгеймера (то есть те самые приложения, которые пытается реализовать Бергер с коллегами).
«Цифровой ум» можно будет разделить с другими пользователями — передать по сети (а это и есть вариант Нейронета), модифицировать с помощью программ, дополнить новыми данными и т.д. При этом разные люди смогут работать над общими проектами, не затрудняя себя изложением своих идей на бумаге, а будут делиться ими прямо через нейроинтерфейс. То есть тот, кто пойдет на такой шаг и использует экзокортекс, получит большое интеллектуальное преимущество, но и риск будет велик: чем больше функций мозга будет переходить к такому импланту, тем выше риск разрушения идентичности, тем больше возможностей для вторжения напрямую в мозг человека.
Нужно отметить следующее: любые неинвазивные методы подключения мозга к компьютерному интерфейсу безнадежно проигрывают и по скорости, и по точности прямому (инвазивному) введению электродов в мозг. Кости черепа надежно блокируют беспроводной доступ, и мы получаем только нечетко модулированный шум. Так что выбора-то на самом деле нет: если мы хотим, чтобы мозг работал напрямую с компьютером, — надо вводить в голову массивы электродов, причем не десятки соединений, а десятки или даже сотни тысяч. Но может быть, это не так уж страшно? Почти полмиллиона людей в мире живут с электродами, введенными в мозг. Пациенты, страдающие болезнью Паркинсона, даже управляют своими имплантами — могут их отключать при необходимости и регулировать частоту электростимуляции. Причем многие из таких пациентов с удовольствием сотрудничают с нейробиологами, что позволяет ученым собирать огромную информацию, заглядывая через это крохотное окошко — величиной в один электрод — прямо в мозг. А учитывая, что таких пациентов статистически значимое количество, — результаты очень интересные.
Для того чтобы создать работающий экзокортекс, его придется подключать к мозгу как минимум десятками тысяч электродов, иначе информацию от мозга к чипу в реальном времени не передать. Анатолий Левенчук предположил, что количество электродов, подключаемых к нейронам мозга, будет расти по закону Мура — то есть удваиваться каждые два года. Сегодня средний электродный массив, подключаемый к мозгу, составляет примерно десяток соединений. Если принять оценку скорости, предложенную Левенчуком, массивы в десятки или даже сотни тысяч электродов станут обычным делом через 20–25 лет. А там уже и до экзокортекса недалеко.
Оценки финских нейробиологов близки: по их мнению, экзокортекс появится не позднее середины XXI столетия. Но кажется, что мы живем в такое время, когда удаленные прогнозы сбываются быстрее, чем мы можем себе представить, и тире в заглавии этой колонки «Мозг — компьютер» может превратиться в дефис: «Мозг-компьютер» еще при жизни людей, родившихся в те незапамятные времена, когда не было ни интернета, ни мобильного телефона.
[1] Подробнее о компьютере Watson см.: Владимир Губайловский. Письма к ученому соседу. Письмо 2. Может ли машина мыслить? // Урал. 2013. № 11.
2 NeuroG — официальный сайт проекта http://www.neurog.com/about.
3 P. C. Lauterbur. Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance. Nature 242, 190–191 (16 March 1973). Поразительно, что эта важнейшая статья будущего нобелевского лауреата занимает в журнале всего две страницы. Статья есть в открытом доступе http://www.bioen.utah.edu/wiki/images/d/dd/Lauterbur.pdf.
5 Экспертный семинар РВК «Дорожная карта нейронета»: https://youtu.be/Eqkerqw3wsE.
6 Theodore W Berger. A cortical
neural prosthesis for restoring and enhancing memory. Journal Neural Eng. 2011
Aug; 8(4). Published online 2011 Jun 15.
7 Kaj Sotala, Harri Valpola. Сoalescing minds: brain uploading related group mind scenarios. International Journal of Machine Consciousness. January 22, 2012.