Сила мысли

Нейропротезы, экзоскелеты и самая настоящая телепатия в ближайшие 5–10 лет могут перейти из категории «научная фантастика» в разряд повседневной реальности 9 Октябрь 2015, 08:12
С читывание, передача, обработка информации непосредственно из мозга человека — одно из многообещающих направлений в современной науке. На ранних этапах развития мировой медицины одним из наиболее интересных и загадочных считалось предположение о возможности чтения мыслей на расстоянии и передачи их другому человеку — этот круг явлений назвали телепатией. Термин «телепатия» был впервые употреблен в 1882 году Фредериком У. Х. Майерсом, одним из основателей британского Общества психических исследований. Эксперименты, связанные с попытками доказать существование телепатии, проводились во всем мире. Наиболее популярной была методика проверки связи индуктора и перципиента, один из которых находится на погруженной подводной лодке, а другой — в контролируе­мых лабораторных условиях. Учитывая, что физический механизм связи в таких условиях, как правило, не мог быть указан, большинство ученых считают ее принципиально невозможной, а телепатические исследования относят к псевдонаучной деятельности. 
Продолжая тему телепатии… Мечта о передаче мыслей-сообщений, несомненно, отражает не что иное, как исконную потребность людей в коммуникации на больших расстояниях. Самое интересное, что этой извечной мечте человечества удалось сбыться, но несколько иным образом — сначала в виде обычной телефонной связи, кабели которой пересекли океаны планеты, а на наших глазах — начиная с 90-х годов прошлого века — головы всех абонентов мира все прочнее объединяет сотовая связь. Современные коммуникационные устройства, позволяющие передавать текст, голос и даже видеоизображение в реальном времени, превзошли бы полет воображения наших предков: спутники связи, висящие высоко над нашими головами, Интернет, покрывающий все континенты, видеочат Skype... Знаменитые очки Google Glass имеют голосовое управление, передают звук внутреннему уху вибрацией сквозь кости черепа, а изображение — с помощью крошечного монитора, «висящего» перед глазом и не мешающего выполнять другие действия. Тем не менее такой обман мозга через обман органов чувств имеет ограничения и пределы развития.
 
Google Glass — одно из самых совершенных средств общения на сегодняшний день
В целом направление исследований, связанное с непосредственным изучением, передачей и расшифровкой сигналов мозга, осознано как одно из приоритетных, и сегодня существует целый ряд программ изучения мозга, ориентированных как на расшифровку его сигналов, так и на передачу сигналов непосредственно мозгу. Исследования идут по нескольким направлениям, одни из которых давно известны, а другие только появляются. Впрочем, обо всем по порядку.

Подключаемся к мозгу

Чтобы использовать сигналы из мозга — скажем, для управления механизмами, — необходимо эти сигналы сначала получить. В настоящее время разработано уникальное беспроводное устройство, вживляемое в мозг. Имплантат представляет собой небольшой квадрат с длиной стороны 4 мм, оснащенный 96 электродами толщиной с человеческий волос. Устройство располагается на поверхности мозга, и электроды проникают в область «моторной» коры, связанной с контролем движений рук, на 1,5 мм. Имплантат записывает и транслирует импульсы десятков нейронов. Цель состоит в том, чтобы фиксировать импульсы, возникающие во время начала движения пациента. Мозг генерирует эти импульсы, передаваемые затем на компьютер, превращающий модели электрической активности в команды, которые могут управлять роботом-манипулятором. Однако модели репрезентации мышц, создаваемые чипом, могут быть различны, поэтому очень важен интерфейс, связывающий полученный сигнал с исполнительным механизмом.
Проблема дешифрации заключается в том, что импульсы мозга одновременно и координированно передаются на 18 мышц в соответствии с программой-моделью управления, которая связывает сокращения мышц с движениями, позволенными имеющимися степенями свободы конечности. Текущая версия этой модели включает 29 мышц, разделенных на 138 мышечных элементов и 11 соединительных зон, обеспечивающих плавность движений. Пациент управляет виртуальной рукой, отображаемой на экране, и стремится сформировать «мозговую команду», которая, в конечном счете, двинет виртуальную руку в правильном направлении.

BrainGate 2 — мост между человеческим мозгом и механизмами
Сама по себе конструкция, известная в настоящее время как BrainGate 2 (была создана в рамках проекта BrainGate, поддерживаемого DARPA), стала итогом долгих поисков и экспериментов на приматах и представляет собой весьма нетривиальную беспроводную конструкцию, передающую данные с помощью лазера, работающего в ИК-диапазоне (т. е. луч невидим), который легко проходит через кожу головы. 16-канальный чип, вживленный в мозг, может быть подзаряжен несколькими способами, в частности с помощью индукции по радиоканалу или через ИК-фотоэлемент, установленный на внешней поверхности чипа.
BrainGate размером с мелкую монету, расположенный под черепной коробкой, подключается с помощью плоского кабеля длиной 13 см к устройству передачи информации (а); микроснимок матрицы из 100 электродов (b); МРТ-снимок показывает примерное расположение сенсоров в мозге (c); участник программы BrainGate управляет компьютерным курсором, используя исключительно силу
мысли (d)
Долговечность имплантатов служит предметом особой обеспокоенности в этой области, однако опыт показывает, что устройство может принимать полезные сигналы от мозга в течение многих лет. Тем не менее сигналы со временем «плывут» и цельного управления не получается. Записи сигналов через пять лет после имплантации отличаются от исходных — сигналы не так стабильны изо дня в день. Cпециалисты из Великобритании предполагают, что это связано с тем, что желеобразная ткань мозга движется в нашем черепе, а жестко фиксированной имплантат препятствует этому и заставляет мозг деформироваться вокруг него.
Досадная мелочь — ситуация с нестабильностью сигнала — обусловлена однако гораздо более глубоким свойством мозга, чем его желеобразность. Дело в том, что зоны коры, отвечающие за моторику, не составляют жесткой карты на поверхности мозга, наоборот, они пластичны и подвижны в зависимости от того, насколько активно происходит использование того или иного органа. Причем зоны коры конкурируют: если одна перестает использоваться, то ее очень быстро, буквально за считанные часы, могут занять конкурирующие за активность зоны.
Сложный конкурентный механизм формирования управляющей карты головного мозга во многом определяется наличием обратной связи между командой и ее воплощением. Обратный сигнал и служит главной причиной поддержания стабильности размера зоны коры мозга. Если его нет, зона конкурентно проигрывает и начинает пластично «плыть». В этом смысле очень важно понять, насколько пластичен мозг человека в сравнении с мозгом тех животных (даже приматов), эксперименты на которых считаются весьма много­обещающими.
 
Арто Нурмикко (Arto Nurmikko) и Джон Донохью (John Donoghue), разработчики BrainGate, получают приз B.R.A.I.N. из рук президента Израиля  Шимона Переса в 2013 г.
Однако количественное отличие мозга человека от мозга приматов огромно. Размножение нейронов в мозгу человека происходит до тех пор, пока количество нейронов не достигает примерно 100 миллиардов, тогда как у шимпанзе ген, отвечающий за этот процесс, останавливает размножение на несколько цик­лов раньше — соответственно, на несколько порядков меньше и число нейронов. Поэтому, несмотря на то что мозг шимпанзе тоже обладает пластичностью, количественное различие при этом огромно — из-за способности каждого нейрона устанавливать связи с тысячами клеток различие между мозгом человека и обезьяны носит характер экспоненциальной функции.
Именно поэтому исследования движутся по пути стимуляции собственных мышц пациента, которые всегда включены в нервную систему и имеют обратную связь «по умолчанию». Технологии активации мышц уже давно были испытаны для парализованных пациентов. Новизна же технологии имплантатов заключается именно в том, чтобы использовать сам мозг для посыла сигналов активации. 
И все же вмешательство в мозг служит само по себе серьезным механическим и физиологическим воздействием, связанным с хирургическим вмешательством. Поэтому все это время настойчиво звучит вопрос о «невмешательстве» в мозг. К счастью, существуют методы, позволяющие отойти от использования инвазивного имплантата.

Neuropace: имплантаты
против эпилепсии


Несмотря на сложности с размещением мозговых имплантатов, ученые продолжают делать успешные шаги к решению имеющихся проблем и использовать современные технологии. Так, в 2013 году американская компания Neuropace создала имплантат, работающий по методу оперативной нейростимуляции (RNS). Устройство еще не было одобрено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), но, по свидетельствам экспертов, в случае положительного решения RNS-имплантат сможет помочь тысячам больных эпилепсией. Огромный плюс инновации от Neuropace — отсутствие необходимости постоянной стимуляции, подавляющей аномальную мозговую активность, что свидетельствует о переходе к более глубокому уровню воздействия (например, глубокая стимуляция мозга, используемая для лечения болезни Паркинсона, проводится непрерывно, все 24 часа в сутки, а RNS-имплантату достаточно ежедневного включения на 5 минут).

Мозг: когда за дело берутся военные

Головной мозг, несомненно, пока еще остается самым малоизученным человеческим органом. Тем интереснее инициатива Минобороны США, глава которого предложил создать специальный банк для хранения образцов поврежденного головного мозга человека. Такое решение сугубо прагматично: высшие военные чины хотели бы помочь исследователям черепно-мозговых травм для их минимизации и лечения у военнослужащих, но, как это обычно бывает, успехи военных медиков наверняка подтолкнут развитие аналогичных методик в медицине гражданской, а заодно помогут лучше понять принципы работы этого важнейшего органа.

Долой контакты

Измерения, связанные с регистрацией нервных токов в мозге, могут быть использованы для диагностики эпилепсии, инсульта и психических заболеваний, а также для изучения функции мозга. Один из способов дистанционного считывания этих электрических токов, без вмешательства в ткань мозга, заключается в измерении магнитных полей этих токов при размещении регистратора за пределами черепа — этим занимается направление магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Современные технологии позволяют считывать активность мозга и использовать ее значения в прикладных целях — даже в компьютерных играх. К примеру, ЭЭГ-сенсоры MindWave компании NeuroSky при стоимости порядка $100 дают возможность управлять простейшими играми и отслеживать состояние мозга с помощью специального приложения. При этом используется один «сухой» датчик, т. е. без специального геля, наносимого на кожу пользователя. 
Традиционный способ контроля за электрической активностью мозга, электроэнцефалография (ЭЭГ), требует наклеивания десятка электродов на кожу головы. МЭГ измеряет токи мозга столь же точно, но без физического контакта, что делает возможным скрининг большого числа пациентов быстро и легко. Магнитоэнцефалография также нечувствительна к проводимости кожи головы (в частности, при выделении пота), черепа и головного мозга, которые могут влиять на результаты измерений.
Самым распространенным на сегодня инструментом МЭГ являются сверхпроводниковые квантовые интерферометры, или СКВИД-датчики (сверхпроводниковый квантовый интерференционный датчик), — это самые чувствительные приборы для измерения магнитных полей сердца и даже мозга человека, незаменимые при исследованиях сверхслабых магнитных полей, генерируемых живыми организмами. Их исключительная чувствительность достигает долей постоянной Планка, что при измерениях магнитных полей открывает новые возможности как в физических исследованиях, так и в исследовании сверхслабых сигналов мозга, которые удается надежно выделить и «очистить» на фоне постоянного земного магнетизма и переменной добавки, обусловленной интенсивностью космического излучения.
Магнитный сенсор размером с кубик сахара, способный измерять активность мозга, состоит из контейнера с газом, содержащим рубидий, и оптической системы. Излучение встроенного маломощного лазера взаимодействует с атомами рубидия, изменения регистрируются и передаются для обработки.
Понять взаимодействие мозга с реальностью через электронный интерфейс крайне трудно, не обращаясь к теме пластичности мозга, о которой упоминалось выше. Дело в том, что пионер исследования различных видов коммуникации Маршалл Маклюэн (Herbert Marshall McLuhan) сформулировал свой первый закон в таком виде: все средства передачи информации служат расширениями тех или иных возможностей человека. Письменное общение расширило возможности памяти, телекамера — возможности зрения и глаза, радио и связь — возможности слуха и т. д. Маклюэн утверждал, что процесс такого расширения меняет саму нервную систему. Поэтому интеграция средств передачи информации прямо в мозг человека, несомненно, оказывает на него воздействие. В частности, эксперименты с подключением незрячих пациентов к телевизионной камере показывают, что нервная система, будучи пластичной, может подстраиваться и становиться «частью» более крупной системы, включающей электронную составляющую. Действительно, если присмотреться, то все электронные приборы реорганизуют наши реакции и мозг. Достаточно взглянуть на компьютер или сотовый телефон — для современного человека они служат средством письма настолько, что, когда приходится брать в руки простую ручку, человек часто испытывает чувство растерянности, а некоторые переживают и нервный срыв, когда ломается компьютер. Электронное средство уже как бы вросло в нервную систему современного горожанина, которая без всякой имплантации расширилась для этого наружу — «почуствовала» и приняла в себя нечто неживое извне.

Имплантация
без операции

Полностью отказаться от инвазивных решений при установке имплантатов сегодня нереально, но в ближайшее десятилетие некоторые из нейрохирургических операций вполне могут взять на себя наноботы, наномоторы для которых уже существуют. В начале года команда химиков и инженеров из Университета Пенсильвании провела успешные испытания таких микроскопических устройств, заставив их двигаться внутри живой человеческой клетки с помощью ультразвука (управление осуществлялось магнитом). Этот опыт действительно можно считать прорывным, так как до этого наномоторы обладали токсичными свойствами и не могли передвигаться в биологических жидкостях.
Несколько отличается подход ученых из Университета Иллинойса — они создали 2-миллиметровых «биоботов» целиком. Микроскопические устройства похожи на сперматозоид, а в качестве движителя здесь используются... сокращающиеся сердечные клетки. Размеры «биоботов» не позволят им работать внутри живых клеток, но доставить строительный материал для наномеханизмов по кровеносным сосудам им вполне под силу.
 

Отказаться от проводов

Естественно, что все эти клеммы, контакты и электроды — прошлый век (сложно представить себе человека с торчащим из головы пучком проводов, еще сложнее будет с ним общаться), именно поэтому будущее имплантатов все же за беспроводными системами. И здесь ученым есть чем похвастаться. Так, в начале февраля специалисты из Массачусетского технологического института представили новый пьезоэлектрический кохлеарный (слуховой) имплантат, который полностью интегрируется в ухо пациента. Интересно, что зарядка такого устройства производится с помощью обычного сотового телефона со специальным адаптером.
 

Протез, который чувствует

Мозг — не единственный орган или часть тела, к которой ученые пытаются подключить электронику. Более того: возможна ли обратная связь с таким органом? К примеру, в случае с протезом конечности — можно ли передать тактильную информацию от сенсоров протеза человеческому телу? Американские исследователи из Кливлендского медицинского центра ветеранов (Cleveland Veterans Affairs Medical Center) и университет Кейс Вестерн Резерв (Case Western Reserve University) разработали новый вид интерфейса, который может передать чувство осязания из 20 областей на протезе (см. статью «Искусственная рука с натуральными чувствами», Technowars #12/2013). Он делает это, непосредственно стимулируя нервные пучки, известные как периферические нервы; два инвалида уже оснащены этим интерфейсом, и имплантаты продолжают работать после 18 месяцев использования.
В основе технологии лежит специальная версия интерфейса, известного как манжетный электрод. Три нервных пучка — срединный, локтевой и лучевой — удерживаются 7-миллиметровыми манжетами, которые мягко сдавливают их, максимизируя площадь соприкосновения. Уже можно настроить электрические сигналы, посылаемые в манжету для производства различных ощущений. Так, пациент с протезом руки говорит о своих ощущениях: ему кажется, будто он трогает твердый шарик подшипника, а в другой раз осязает ватные шарики, наждачную бумагу или даже волос на столе.

Протез с тактильными сенсорами и обратной связью к периферическим нервам позволяет обладателю не только двигать пальцами манипулятора, но и чувствовать свойства поверхности, которой касается манипулятор
Другие технологии идут по пути подачи сенсорных сигналов непосредственно на нервы. Например, уже существуют имплантаты, которые стимулируют слуховой нерв, что позволяет восстановить слух. Разработаны технологии для стимулирования блуждающего нерва, который идет от ствола мозга к груди и животу и может использоваться для лечения эпилепсии и даже депрессии. И все-таки в области стимулирования нервов прогресс не позволяет пока обеспечить эффективное осязание у людей.

Есть и другие подходы к сенсорной обратной связи, в их числе предпринимаются усилия, чтобы сделать это непосредственно через мозговые имплантаты. Несмотря на трудности трепанации и проблемы с «плывущими» результатами, специалисты создают пилотные версии и даже моделируют технико-экономические стороны процесса, что позволяет исследователям утверждать: если все пойдет хорошо, устройство может появиться на рынке через 5–10 лет. Но именно тогда технике и сознанию придется соприкоснуться как никогда плотно. И дело не в том, чтобы только «почувствовать» руку, осязающую через тензодатчики.

Один из самых известных экзоскелетов, не существовавших, к сожалению (или к счастью), в реальности, — погрузчик из фильма «Чужие» (1986 г.), с помощью которого лейтенант Рипли лихо расправилась с агрессивным представителем внеземной цивилизации
Фактически мозг, «очувствленный» с помощью датчиков, не только выходит здесь за свои пределы, но и получает сигнал не на своем языке — идущий не от нерва, а искусственно сформированный компьютером импульс, который имитирует язык мозга. Есть известный в психофизике закон Фехнера, который говорит о том, что сигналы, которые мы чувствуем, и интенсивность сигналов в «физическом» мире связаны логарифмически, т.е. рост интенсивности в 100 раз приводит к росту ощущения в ln 100 = 4,6 раза. Эту особенность чувств учитывают при создании интерфейса, формирующего сигнал «на языке мозга». Однако если мы попробуем принять во внимание, что отклик мозга тоже должен отвечать закону Фехнера, то становится очевидно, что сигнал, который мы получаем, уже логарифмически слабее, чем тот, которым оперирует сознание, а именно сигнал, производимый мозгом «внутри самого себя». По сути, мы не используем этот универсальный природный механизм, так как плохо понимаем его. Если бы это было не так, возможно, многие вопросы искусственного продолжения виртуального мира нашего сознания решались бы гораздо проще.
 

«Электротелепатия» от Кевина Уорвика

Интересно отметить, что в области исследования передачи данных от живого организма есть разработки, основанные именно на «электрической» схеме. Этим занимается известный британский исследователь Кевин Уорвик (Kevin Warwick), который в 1998 году вживил чип в собственную руку, за что получил прозвище «Киборг». Сегодня микрочипирование уже ни у кого не вызывает «киборговых» ассоциаций, так как микрочипы стали просто способом идентификации — к примеру, их имплантируют домашним животным, которые могут гулять по улице без хозяина. Ныне Уорвик — участник разработок по созданию реализуемой на практике безопасной технологии для объединения нервных систем нескольких организмов друг с другом и компьютером. Он считает, что реализованная научными средствами «телепатия» в будущем может стать важной формой общения.
 

От телепатии к экзоскелетам

Опыты по расшифровке данных сознания (мыслей) с помощью наблюдения за рефлекторными движениями — эффективная методика распознавания того, что «говорит» человеческий мозг. Во всяком случае, именно таким было «материалистическое разоблачение» эстрадных опытов по чтению мыслей Вольфа Мессинга: знаменитый маэстро зорко вглядывался в непроизвольные движения мышц и расшифровывал их. Развитие логики этих цирковых фокусов привело к появлению исследований в двух направлениях: прямое подключение к сигналам мозга, о котором говорилось выше, и усиление движений мышц с помощью специальной техники.
Экспериментальный экзоскелет HAL (Hybrid Assistive Limb), разработанный в японском университете Цукубы, приводится в движение сигналами от электродов, улавливающих электрические импульсы, вырабатываемые мускулами оператора 
Последнее направление привело к созданию экзоскелета. Термин «экзоскелет» буквально означает «опорный каркас, находящийся вне тела». Возможной областью его применения является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, пожилым людям, которые в силу своего возраста имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом. Модификации экзоскелетов, а также отдельные их модели могут оказывать значительную помощь спасателям при разборе завалов рухнувших зданий. При этом экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков. Естественно, сверхвозможности, которые получает обладатель такого устройства, в первую очередь интересуют людей военных.

Устройство экзоскелета может основываться как на управлении манипулятором с помощью пультов или джойстиков, так и на непосредственном использовании датчиков мускульной активности, которые со всех частей тела передают информацию на бортовой компьютер, координирующий все действия экзоскелета. В результате человек практически не испытывает усталости при физических нагрузках. Выглядит это так: когда человек пытается двигаться, мозг посылает электрические импульсы к мышцам. Когда они доходят до мышц, на коже можно зарегистрировать слабые биоэлектрические сигналы. Специальные датчики могут считать эти сигналы с кожи, а компьютер анализирует, какой силы необходимо совершить действие. Порция энергии поступает к сервомоторам, и они выполняют необходимое действие.

Стоимость современных экзоскелетов
доходит до $1 млн и, несомненно, будет быстро падать при массовом тиражировании, однако главным препятствием для перехода к широкому их применению является отсутствие подходящих источников энергии,  которые могли бы в течение длительного времени позволить машине работать автономно. Поэтому повсеместное распространение таких устройств пока вряд ли осуществимо. 

Альтернативой носимой на теле человека конструкции экзоскелета, в особенности для военных применений, служит идея «меха» — самодвижущегося устройства, в котором есть пульт, с которого осуществляется управление. Мех — своего рода фантастический продвинутый вариант бронетехники (шагающие мехи показаны в «Аватаре» Джеймса Кэмерона, в частности их виртуозно использует полковник Куоритч).

Экзоскелет XOS 2, созданный компанией Raytheon, предназначен в первую очередь для военной логистики в качестве погрузчика, а также для оснащения авиационной техники вооружением (подвеска тяжелых ракет, авиабомб) перед вылетом. Пока устройство  получает внешнее питание по кабелю, но, по словам инженеров компании,  следующее поколение — XOS 3 — будет иметь собственный  источник энергии.
Протезы с обратной связью, экзоскелеты, считывание, а затем трансляция мыслей на расстояние — лишь немногие области применения интерфейса между человеческим мозгом и современной электроникой. По мере развития как методов получения информации из мозга, так и микроэлектроники в ближайшем будущем могут появиться удивительные гибриды, сочетающие в себе физическую мощь машины и интеллектуальную — человека. Как это изменит мир, остается только догадываться и надеяться, что мир от таких инноваций станет лучше и безопаснее.
 

Русское экзо


Разработкой российских экзоскелетов под названием «ЭкзоАтлет»/ExoAtlet занимается команда ученых, сформированная на базе НИИ механики МГУ. Первый в России действующий образец экзоскелета пассивной модификации ExoAtlet-P был продемонстрирован на IV Международном салоне «Комплексная безопасность-2013» и награжден золотой медалью в номинации «Лучшее инновационное решение в области комплексной безопасности». После успешного выполнения разработки пассивного экзоскелета перед командой разработчиков встал вопрос о создании его активной версии для военного и аварийно-спасательного применения. Особенностью активной версии является наличие электроприводов, позволяющих в несколько раз увеличить грузоподъемность экзоскелета. В ходе приемочных испытаний конструкция активной версии экзоскелета ExoAtlet-A позволяла переносить груз до 200 кг.
Разработчик российских экзоскелетов — «ЭкзоАтлет»/ExoAtlet