Наука

Нейроінтерфейс: мозок + комп’ютер

Прогрес людства можна розглядати як шлях вдосконалення знарядь з метою підвищення продуктивності праці — від примітивних, що їх використовувала первісна людина для добування їжі, та застосування механізмів у період промислової революції до сучасних складних механічних систем. На сьогодні актуальною стала проблема підвищення швидкості та ефективності розумової діяльності людини. Наукові дослідження, що зараз тривають, відкривають нові можливості для розвитку багатьох галузей і, зокрема, медицини. Розповідає Юрій Бобков, канд. техн. наук, доцент кафедри систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»

— Юрію Володимировичу, чи можливо підвищити розумову діяльність за допомогою комп’ютера?

— Спроби прискорити і підвищити ефективність розумової діяльності робились вже давно. Першими можна вважати прості механічні лічильні пристрої — рахівниці, арифмометри тощо. В 40-х роках ХХ ст. у Німеччині та США, а у 1950 р. в Києві були розроблені перші обчислювальні машини, що пройшли швидкий шлях розвитку аж до створення сучасних, різних за розмірами, призначенням та можливостями комп’ютерів. Суттєво розширились і сфери їхнього застосування. Тепер комп’ютери мають змогу виконувати обробку різноманітної та великої за обсягом інформації.

Але згодом виникла проблема — швидкість обробки інформації на комп’ютері значно перевершувала можливості людини щодо її введення. Звичайна клавіатура була вельми повільним та не дуже зручним пристроєм. Вирішенням цієї проблеми стало створення пристроїв для автоматичного введення тексту. Один з перших таких пристроїв був створений в Інституті кібернетики АН УРСР у 1962–1965 рр. — читальний автомат ЧАРС. Зараз цю роботу виконують сучасні сканери. В середині 90-х років на масовому ринку з’явились системи комп’ютерного зору та технології голосового управління комп’ютерами. Проте вчені та інженери не полишали надії на створення систем, що дозволять передавати інформацію та керувати комп’ютером «силою думки», тобто безпосередньо з’єднають мозок людини з комп’ютером за допомогою так званого нейрокомп’ютерного інтерфейсу. Прямий інтерфейс «мозок – комп’ютер» дозволить значно збільшити можливості людського інтелекту, а також реалізувати багато фантастичних ідей щодо інформаційних технологій майбутнього. Ця амбітна ідея також тісно пов’язана із задачею створення штучного інтелекту та його взаємодії з людським.

— Як комп’ютер може передавати сигнали мозку?

— Інформаційний обмін між клітинами відбувається за допомогою біохімічних процесів та супроводжується електричними сигналами. Якщо розшифрування перших — процес доволі складний та потребує специфічних наукових досліджень, то зафіксувати електричні сигнали можна досить швидко. В комп’ютері для обробки та передачі інформації використовуються саме електричні сигнали. Ось той носій інформації, що дозволяє безпосередньо об’єднати мозок і комп’ютер.

У 1849 р. швейцарський вчений Еміль Генріх Дюбуа-Реймон довів, що мозок здатний генерувати електричні сигнали. У 1924 р. німецький фізіолог і психіатр Ганс Бергер вперше зафіксував електричні сигнали, що продукуються мозком людини, на папері у вигляді кривої — електроенцефалограми. Для їхнього зчитування використовували електроди, які розміщували на поверхні голови

— Якщо спочатку фіксація електричних імпульсів відбувалась за допомогою електродів, що розміщувались зовні, то наступним кроком стала імплантація їх у головний мозок…

— Одним з перших, хто проводив таке дослідження, став американський кібернетик, нейрофізіолог і психіатр Грей Уолтер. У 1963 р. він поставив експеримент з використанням нейроінтерфейсу. В ході досліджень пацієнти, яким імплантували мікроелектроди у мозок, натискали на кнопку для перемикання слайдів у проекторі. Зафіксувавши електричні сигнали, що йшли від мозку, науковці відключили кнопку. Тепер слайди стали переключатися навіть трохи швидше, ніж пацієнт встигав натиснути кнопку. Так була відкрита хвиля очікування. Коли людина готова до дії та приймає рішення, в корі мозку формується слабкий електричний сигнал, який можна зафіксувати.

Вивчали можливості використання нейроінтерфейсу в медицині, зокрема у процесі реабілітації хворих. У 1998 р. невролог Філіп Кеннеді імплантував електроди в мозок паралізованого пацієнта. Через кілька місяців людина навчилася рухати курсор по екрану комп’ютера і набирати текст. Наступним значним кроком стала безпосередня імплантація в 2005 р. чіпа Brain Gate виробництва американської компанії Cyberkinetics повністю паралізованій людині. Після операції пацієнт навчився рухати курсор по екрану комп’ютера, а згодом — вмикати і вимикати телевізор, підключений до комп’ютера, та керувати роботизованою рукою.

— Перші мікроелектроди були під’єднані дротами до комп’ютера, що є дуже незручним. Як вчені вирішили цю проблему?

— Шляхом створення бездротового імплантованого нейроінтерфейсу. Дроти не тільки обмежували відстань від людини до комп’ютера, але й знижували надійність зв’язку через погіршення контактів у дротових з’єднаннях. Перший бездротовий механізм був створений у 2013 р. в університеті Брауна. Живлення пристрою відбувалось від безконтактно заряджуваного джерела — акумулятора. Нова технологія була дуже перспективною. Її недолік полягав лише в обмеженні ємності акумулятора. Пристрій працював до наступної підзарядки. Проте сьогодні розробки спрямовані на збільшення ресурсу акумуляторів.

— У наведених прикладах навчання пацієнтів триває кілька місяців. Чому так довго?

— Мозок кожної людини індивідуальний. Різниця полягає не тільки в антропометричних даних, але й в інтелектуальному потенціалі, що визначає структуру зв’язків між нейронами. На сьогодні неможливо зафіксувати електричні сигнали від усіх 100 млрд нейронів. Кількість електродів, що під’єднуються до мозку в будь-який (неінвазійний чи інвазійний) спосіб, обмежена та зазвичай рахується десятками. Відповідно можливо зафіксувати лише електричну активність нейронів у обмеженій ділянці мозку. Тобто «читати думки» за нинішніх нейроінтерфейсних технологій та обмежених знань неможливо. Коди мозку невідомі.

Треба також відзначити, що в переважній більшості випадків електричні сигнали знімали з поверхні кори головного мозку. Результати багаторічних досліджень вчених дозволили створити «мапу» ділянок мозку, що відповідають за окремі рухомі функції та розумові процеси. Як приклад можна навести функціональну мапу кори головного мозку, що була запропонована ще у 1937 р. нейрохірургом Уайлдером Пенфілдом (рисунок). Достовірність та точність цієї мапи для конкретної людини, звісно, відносна, не кажучи вже про купу «білих плям», що існують у нашому уявленні про роботу мозку. Кожного дня з’являються результати нових досліджень та відкриттів, але цілісної картини досі не існує.

Роботи зі створення нейронних мереж та алгоритмів запам’ятовування свого часу активно проводились в Київському інституті кібернетики НАН України

Цікавим напрямком, що може розкрити можливі гіпотетичні процеси мислення, є добре відомий вченим шлях моделювання. Цей процес розпочався ще в 50-х роках минулого сторіччя зі створення штучного інтелекту в рамках кібернетики. Натепер є значні успіхи, що дозволяють говорити про можливість не просто вирішення задачі, але й про існування штучного інтелекту повністю автономного, що може самостійно розвиватись і вдосконалюватись. Він здатен не тільки створити конкуренцію природному людському інтелекту, але й в певних галузях перевищити його. Апокаліптичні фантастичні прогнози передрікають навіть підкорення людства штучним інтелектом. Це створює додаткову причину для безпосередньої взаємодії людського інтелекту та машинного, зокрема, з метою контролю останнього.

— Які задачі стоять зараз перед розробниками нейроінтерфейсів?

— Звісно, в першу чергу необхідно підвищувати роздільну здатність існуючих систем шляхом охоплення більшої кількості ділянок мозку для реєстрації їхньої електричної активності. Для цього потрібно збільшити кількість електродів та зменшити їхній розмір. Тут постає питання: що краще використовувати — неінвазійний чи інвазійний метод зчитування інформації? В першому випадку дуже важко забезпечити необхідну високу роздільну здатність і завадозахищеність та підтримувати постійний надійний електричний контакт електродів з поверхнею. Крім того, необхідні зовнішні системи розміщення електродів на кшталт шлемів тощо. Проте перевагою є простота та оборотність застосування — зняв, і все залишилось як було.

Другий, інвазійний, шлях, позбавлений вказаних вище недоліків. Він дозволяє досягти значно вищої роздільної здатності за рахунок застосування мікроелектродів, можливості їхнього розміщення у більш глибинних шарах мозку, підвищення просторової точності позиціювання електродів. Але він потребує хірургічного втручання безпосередньо в мозок, а це значно підвищує ймовірність побічних ефектів та ускладнень або зразу, або у віддаленій перспективі через можливі деградації імплантованих елементів.

— Чи зможе вирішити проблему розробка компанії Neuralink, представлена в цьому році Ілоном Маском?

— Це найбільш вражаючий та найсучасніший приклад реалізації нейроінтерфейсу. В ході презентації, що відбулася 28 серпня 2020 р., Ілон Маск показав перероблену версію нейроінтерфейсу та розкрив деякі технологічні особливості. Електронна частина розміщена в не помітному зовні чіпі під назвою Link розміром 23×8 мм, що імплантують в череп. Він може працювати без підзарядки весь день і заряджатись вночі за допомогою бездротової зарядки. Чіп з’єднаний з 1024 електродами, що призначені для передачі інформації від нейронів. Особливістю виконання електродів є технологія гнучких полімерних «ниток». Перевагами гнучких електродів над жорсткими є збільшення числа доступних нейронів та безпека для людини під час довготривалої роботи. В той же час, як зауважує професор Френсіс Крік з Інституту біологічних досліджень в Каліфорнії, Neuralink потрібно довести, що ізоляція «ниток» протримається в мозковому середовищі досить довго, оскільки сольовий розчин всередині мозку руйнує багато видів пластику.

Імплантацію чіпа здійснює повністю автоматичний робот-хірург, який просвердлює в черепі невеликий отвір і підключає Link до мозку через гнучкі «нитки». Кожна з них товщиною від 4 до 5 мкм (це в десятки разів тонше від людської волосини) має десятки електродів. Робот розміщує «нитки» з електродами в безпосередній близькості від нейронів, а система комп’ютерного зору дозволяє уникнути їхнього проникнення в кровоносні судини на поверхні мозку, що знижує ймовірність запальної реакції організму. Жорсткі голки, що використовували раніше, обмежують число доступних нейронів, заважають довготривалій роботі та є небезпечними для людини, оскільки мозок змінює форму. Тонкі полімерні «нитки», як зазначає дослідник Neuralink Філіп Сабес, розв’язують ці проблеми.

Обмін інформацією з чіпом відбувається за допомогою Bluetooth-з’єднання, радіус дії якого становить до 10 м. У подальшому запланована розробка мобільного додатку для управління Neuralink.

Компанія провела багато досліджень на мишах. А в ході презентації було показано двох свиней, яким успішно імплантували чіп і зчитували мозкову активність. Цікаво, що потім одній з них видалили чіп і це не позначилось на її подальшому розвитку. Планується також проведення дослідів за участі людей після отримання відповідних дозволів від Управління з контролю за харчовими продуктами і лікарськими засобами (FDA) США та Міністерства охорони здоров’я США.

Поки Маск продемонстрував тільки читання сигналів мозку, але в перспективі Neuralink планує, щоб пристрій міг не тільки зчитувати, але й передавати інформацію в мозок у лікувальних цілях, в найпростішому варіанті — для стимуляції нейронів. Компанія заявила, що має багато амбітних планів, але для їхньої реалізації необхідно вирішити ще багато технічних проблем.

Розробка нейроінтерфейсів і результати досліджень, що були проведені, напряму чи опосередковано знайшли застосування у медичній практиці. Сьогодні імплантовані в мозок електроди використовують для того, щоб зменшити вираженість побічних ефектів хвороби Паркінсона, епілепсії та інших нейродегенеративних захворювань. Зокрема, традиційну глибоку стимуляцію головного мозку (DBS), яка забезпечує постійну стимуляцію базальних гангліїв, здійснювали протягом 25 років для лікування симптомів хвороби Паркінсона. Однак такий підхід може призводити до виникнення небажаних побічних ефектів. Кілька років тому було розроблено першу повністю імплантовану систему DBS, яка використовує зворотний зв’язок від мозку для точної настройки його сигналів у режимі реального часу.

Нік Б. Лангхалс, програмний директор Національного інституту неврологічних розладів та інсульту (NINDS), керівник групи Ініціативи Національних інститутів охорони здоров’я з дослідження мозку через просування інноваційних технологій (BRAIN Initiative), США:

— Новий підхід може стати важливим кроком у розробці більш досконалого або персоналізованого способу зменшення тягаря проблем, з якими щодня стикаються пацієнти з хворобою Паркінсона [1].

Відомо, що близько 33% пацієнтів з епілепсією не реагують на ліки. Методи нейростимуляції, такі як стимуляція блукаючого нерва, реактивна нервова стимуляція, а також DBS, є життєздатними альтернативами для пацієнтів, які не піддаються лікуванню, сприяючи зниженню у них частоти та інтенсивності нападів [2].

1. Self-tuning brain implant could help treat patients with Parkinson’s disease (https://cutt.ly/XhUBHPz).

2. Ganguli М.Р. et al. Deep Brain Stimulation as a Treatment for Refractory Epilepsy: Review of the Current State-of-the-Art. J. Long. Term. Eff. Med. Implants. 2017;27 (1):37-58

Рисунок. Функціональна мапа кори головного мозку

“Фармацевт Практик” #12′ 2020