Тайны «волшебной шапочки»
Интерфейс мозг-компьютер — это технология общения с внешним миром без мышц и нервов. С её помощью человек получает возможность на основе собственной электрической активности мозга формировать команды для компьютера напрямую, без использования клавиатуры, мышки и прочих ручных и голосовых приводов.
Как это выглядит? Примерно так: вам на голову надевают изящную «шапочку» с электродами, подключёнными к компьютеру беспроводной связью. Далее предлагают либо попробовать управлять игрушечной машинкой (таким же образом подключённой к компьютеру, разумеется), которая может двигаться вперёд-назад, влево-вправо, повинуясь вашему желанию; либо напечатать на компьютере текст, мысленно выбирая ту или иную букву; либо, опять же не прилагая никаких физических усилий, сложить на экране пазл.
Не сомневайтесь, у вас получится! Может быть, не с первой попытки, но вы сможете «гонять» машинку, сидя при этом в кресле и сложив на животе руки, которые с непривычки будут нервно подрагивать.
— Идея создания того, что сегодня в России принято называть интерфейс мозг-компьютер (на английском языке эта технология называется brain-computer interface), родилась уже давно, — рассказывает Александр Яковлевич Каплан. — Ещё лет пятьдесят назад учёные задумались: если мы умеем регистрировать электрические отголоски жизни мозга прямо с кожной поверхности головы, то как мы можем это использовать?
Давайте сначала поясним, что это за отголоски. Известно, что клетки нашего мозга общаются между собой посредством электрических импульсов. Благодаря этому мы можем, приложив к поверхности кожи на голове человека любой металлический проводник, зарегистрировать слабые колебания электромагнитного поля — то, что стало называться электроэнцефалограммой, или ЭЭГ. Электроэнцефалография — очень удобный метод исследований, своего рода «окошко», через которое мы можем заглянуть внутрь мозга.
В начале исследований ЭЭГ использовали в качестве одного из инструментов для диагностики болезней, таких как эпилепсия, травма головы, опухоль мозга, или просто неблагоприятного состояния мозга: нервно-психического переутомления, неурочной сонливости, нарушения процессов мышления, памяти и т.д. После длительных наблюдений учёные заметили, что каждому из перечисленных состояний мозга соответствуют свои специфические изменения в ЭЭГ.
Потом появилась новая идея использования ЭЭГ, связанная с работами американского физиолога Нэйла Миллера и со случайным открытием, сделанным в 1958 году американским психологом Джо Камийя, который проводил исследования альфа-ритма мозга. Альфа-ритм — тот тип электрической активности мозга, который увеличивается, если человек расслаблен и спокоен, и уменьшается при состояниях тревоги и депрессии. Так вот, однажды Джо Камийя, устав сидеть в ожидании появления у его испытуемых альфа-ритма, установил в камере, где проводились эксперименты, маленькую зелёную лампочку, которая загоралась при появлении у человека альфа-ритма, и попросил: «Пожалуйста, сделайте так, чтобы лампочка всегда горела!»
И лампочка стала загораться всё чаще, по мере того как испытуемые учились ею управлять, используя сигналы мозга. Камийя совершил удивительное открытие (которого сначала и сам не заметил): любой человек способен произвольно, только одним лишь желанием изменять свои ритмы электроэнцефалограммы.
Понимаете, электроэнцефалограмма — в каком-то смысле эпифеномен, то есть побочное явление, — поясняет А. Я. Каплан. — Наш мозг не использует ЭЭГ (электроэнцефалограмму) как управляющий сигнал. Получается, что человек способен регулировать то, что исходно не было приспособлено для управления. К примеру, мы управляем своими руками. Но, во-первых, мы их видим, а во-вторых, так было «сконструировано» природой. Как же управлять своим ритмом мозга? Оказывается, достаточно увидеть этот сигнал на мониторе компьютера, и тогда человек может самостоятельно изменять его, в определённых пределах разумеется.
В 1968 году психологи (многие из которых в то время находились под влиянием восточных веяний о медитативных практиках) нашли первое применение для этого неожиданного открытия: так называемый БОС-тренинг (аббревиатура БОС в данном случае означает «биологическая обратная связь»).
Технология БОС-тренинга основана на свойствах альфа-ритма: его амплитуда становится меньше, если мозг человека занят рабочей деятельностью, и больше, когда мозг освобождается от напряжения и переходит в состояние релаксации. Психологи решили, что если человек способен произвольно изменять свой альфа-ритм, то, усиливая его, он, по желанию, может ввести себя в состояние релаксации и спокойствия.
Но всё это, по мнению специалистов, было лишь забавной игрушкой. Действительно — никаких глобальных проблем подобное применение ЭЭГ решить не может, методик расслабления существовало и существует множество. К ним добавилась ещё одна, достаточно экстравагантная. Ну и что?
Правда, стоит ещё упомянуть работы американского нейробиолога Барри Штермана, который занимался сенсорно-моторными ритмами мозга (их амплитуда повышается, когда человек повторяет одни и те же движения). Он заметил, что эпилептические судороги отменяют сенсорно-моторный ритм и, наоборот, можно предотвратить приступ, усиливая сенсорно-моторный ритм. Штерман предложил пациентам тренировать именно сенсорно-моторный ритм, который должен был задержать (или полностью исключить) появление эпилептических приступов, — и это работало.
Но на самом деле революционный прорыв в работе учёных, занимающихся проблемами ЭЭГ, наступил только через двадцать лет после появления БОС-тренинга. Тогда они воскликнули: «Эврика!», потому что поняли — если человек может усилием собственного мозга изменять ЭЭГ, то это можно использовать как сигналы. То есть как средство коммуникации. Так, собственно, и появился интерфейс мозг-компьютер.
От БОС-тренинга эта система отличается кардинально: если первый метод — работа человека с самим собой, со своим внутренним миром, то второй — воздействие «силы мозга» на внешние объекты, что, конечно, открывает гораздо большие возможности.
Применение эта система нашла очень быстро. И снова — в медицине. Есть категория параличей и других дегенеративных заболеваний нервной системы, когда человек не в состоянии двинуть ни одной мышцей своего тела, даже подмигнуть. По оценкам, таких больных в мире несколько сотен тысяч. Их мозг работает, но из-за беспомощности мышц сообщить ничего не может.
Для пациентов интерфейс мозг-компьютер становится настоящим спасением. Технология даёт им возможность контактировать с миром посредством электрических сигналов мозга. Примеры подобного применения интерфейса уже есть; опубликовано много научных статей, в которых приведены письма больных, написанные только силой мысли.
— Мы заинтересовались этой технологией пять-шесть лет назад, когда она уже была достаточно известна в мире, — продолжает свой рассказ А. Я. Каплан. — Дело в том, что наша лаборатория в своих исследованиях использовала метод электроэнцефалографии, но для других целей. Например, для диагностики состояний мозга.
Нам было интересно понять, как мозг откликается при различных психических состояниях человека (усталость, возбуждение и т.д.) или при воздействии лекарственных нейротропных средств. Если мы знаем исходно, что таблетка, например психостимулятор, действует каким-то определённым образом, и вдруг без таблетки регистрируем такую же электрическую активность, — есть возможность сравнить и проанализировать действие этой самой таблетки. Таким образом разрабатываются новые лекарства. К примеру, наша лаборатория в своё время благодаря в том числе и исследованиям ЭЭГ помогла разработать лекарство, направленное на улучшение работы мозга.
Так вот, в процессе этой работы мы, естественно, придумывали и внедряли тонкие методы расшифровки ЭЭГ. И однажды задумались: почему бы и нам не присоединиться к проблеме разработки интерфейса мозг-компьютер? Но это оказалось непросто — в то время в нашей стране такие разработки ещё не поддерживались и я не смог добиться финансирования проекта. А вот иностранцы поддержали: сначала в Японии, потом в Южной Корее. Там я, собственно, и разработал первые отечественные варианты технологии ИМК, которые в последующем были значительно усовершенствованы в нашей лаборатории в Москве. Пожалуй, мы были первыми в России, кто опубликовал за рубежом работы по ИМК. Сегодня разработка интерфейсов — модная тема, и над нею работает уже немало российских лабораторий. Много больше таких лабораторий работает за рубежом. Но, несмотря на это, исследователи пока не добились качественной коммуникации мозг-компьютер: в этом канале ещё много ошибок.
В плену желаний
Управление игрушечными машинками, возможность печатать на компьютере без помощи мышц — первые попытки получить управление внешними объектами непосредственно от электрического сигнала мозга. Несомненно, это большой прорыв. У человеческого организма много «входов» — зрение, слух, обоняние, но всего лишь один «выход»: выразить себя человек может только мышцами. И больше ничем. Благодаря интерфейсу мозг-компьютер человек получает новый «выход», свои намерения он сможет выразить через этот интерфейс. Достаточно лишь чётко сформулировать мысль.
Но возникает вопрос: достаточно ли?
Александр Каплан признаётся:
— На сегодняшний момент во время публичных показов интерфейса мозг-компьютер специалисты, их демонстрирующие, иногда лукавят. Не специально, конечно. И даже не лукавят — просто не говорят всей правды. Правда заключается в том, что желание направить, к примеру, машинку налево реализуется далеко не всегда с первой попытки. То есть человек может раз пять сигналить «налево, налево», и только на шестой раз машинка выполняет команду мозга. Почему это происходит? Ответ очевиден: природой наш мозг не запрограммирован на такую работу. Природой не было задумано вообще каким-то образом использовать сигналы ЭЭГ. Многие коллеги шутят и говорят, что я пытаюсь работать с «шумом от паровоза», но на это я отвечаю, что хороший механик даже по шуму паровоза может определить, что с этим самым паровозом что-то не так.
На самом деле перед специалистами, занимающимися интерфейсами мозг-компьютер, стояло несколько проблем: во-первых, за основу какого-либо сигнала необходимо было взять определённые ритмы мозга. К примеру, альфа-ритм. Пусть, например, снижение альфа-ритма будет означать сигнал «направо», а повышение — «налево». Но совершенно очевидно, что, для того чтобы увеличить или уменьшить сигнал, мало подумать просто «налево» или «направо». Поэтому одним из способов (таких способов несколько, но все они идентичны по сути) применения интерфейса стало двойное кодирование. Термин «двойное кодирование» звучит устрашающе, но на самом деле всё достаточно просто: когда человеку нужно повернуть машинку «налево» (повысив свой альфа-ритм), он должен внутренне успокоиться, представить себе синее море или ещё что-нибудь такое же благостное, «направо» — наоборот, необходимо думать о чём-то тревожном — «пожар, пожар!». В результате машинка движется, но всё это больше похоже на фокус, нежели на действующую модель.
— Основная проблема в том, — считает Александр Яковлевич, — что даже при небольшом числе ошибок систему интерфейс мозг-компьютер нельзя использовать в реальном времени. Ещё большей проблемой является то, что при работе в интерфейсе человек всё время должен фокусировать своё внимание на предмете коммуникации или управления. Но ведь когда мы едем на велосипеде и нам нужно повернуть, скажем, налево, мы автоматически поворачиваем налево, не задумываясь. Возникает вопрос: возможно ли разработать такой интерфейс, чтобы он действовал автоматически, повинуясь неявному желанию?
В исследованиях на животных это удаётся. К примеру, ещё в 1999 году опубликована работа исследователей из Великобритании, в которой рассказывалось, что крыса могла одним только желанием пить включить устройство, подводящее поилку. В моторные зоны коры головного мозга крысы были вживлены электроды, которые регистрировали вспышку активности нервных клеток всякий раз, когда крыса подводила к себе поилку лапкой. Вот эту вспышку активности и использовали как команду для включения устройства. Крыса сложила лапки: достаточно было ей захотеть пить, как появлялась активность в регистрируемых нейронах и включалось устройство подачи поилки.
Нельзя не упомянуть и об очень известных опытах бразильца Мигеля Николелиса из университета Дюка, известного попытками прочитать мысли обезьяны. Так же как и в опытах с крысами, учёные регистрировали электрическую активность нейронов, но в этом случае обезьяна научилась без рук управлять манипулятором — своего рода «третьей рукой». В результате, когда в мозгу обезьяны формировалось желание пить, стакан сока ей подносила «искусственная рука».
— Всё это, конечно, доказывает, что применение интерфейса мозг-компьютер возможно, — подчёркивает руководитель Лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов. — Но в этих двух случаях использовались так называемые инвазивные методы, то есть хирургические операции по вживлению электродов. Такие методы сейчас применяются и на людях, но строго по медицинским показаниям. Я был в лаборатории доктора из США Филиппа Кеннеди, который первым разработал и применил инвазивную технику интерфейсов на человеке. Кеннеди имплантировал пациентам электроды прямо в кору головного мозга, получив очень чистый корковый сигнал, с помощью которого пациент мог, к примеру, «силой мысли» двигать курсор на экране компьютера. Но у этого метода слишком много проблем. Дело в том, что вживлённые в кору имплантаты имеют срок действия не более трёх месяцев. А на самом деле они начинают плохо работать уже через месяц-два. Хотя этой технологии десять лет, она реально используется только у очень небольшого числа пациентов.
Неинвазивные интерфейсы, регистрирующие электрическую активность мозга непосредственно с кожной поверхности черепа, требовали разработки новых подходов для выделения из этой активности команд-драйверов, с помощью которых мозг смог управлять бы внешними объектами напрямую.
— Для того чтобы добиться этого, мы использовали нашу более раннюю разработку. Мы обнаружили, что ЭЭГ составлена из небольшого числа типичных сегментов. И решили использовать их как команды для внешних управляющих устройств, приписав к каким-либо символам, например буквам А, Б, В. На этой основе мы создали новый алгоритм для интерфейсов мозг-компьютер, в котором «налево» — это просто налево. Он получил неформальное название «московский алгоритм».
Сейчас научные лаборатории мира соревнуются между собой уже не столько в технологиях интерфейса мозг-компьютер, сколько в точности и скорости его применения. Например, до сих пор остаётся рекордной скорость печати «силой мозга», равная 10—15 знакам в минуту. Руками, даже не зная клавиатуры, человек делает это гораздо быстрее: 100 знаков в минуту.
Над этой проблемой сейчас серьёзно работают в лаборатории А. Я. Каплана.
Впрочем, сам профессор уже поглощён другой идеей.
Сила «третьей руки»
Термин «третья рука» — это, конечно, всего лишь метафора. Но с её помощью проще всего объяснить то, чем сегодня увлечены специалисты Лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов.
Итак, представьте себе, что у вас на столе находится некий настольный манипулятор, по форме напоминающий руку. Вы работаете за компьютером и пьёте, к примеру, чай. Соответственно обе руки у вас заняты. В этот момент звонит сотовый телефон, который лежит на другом конце стола. Манипулятор берёт телефон и подносит его к вашему уху.
Фантастика? Вовсе нет. Разработкой и созданием такого манипулятора занято сейчас уже несколько лабораторий.
— На самом деле у нас уже всё для этого есть, — улыбается Александр Яковлевич, — мы можем посылать команды мозга на машинку, печатаем буквы. Почему бы в таком случае не отправить команды манипулятору? Конечно, в данном случае ситуация, безусловно, сложнее: мозг должен регулировать действия предмета в трёхмерном пространстве и при этом сохранять точность движений манипулятора. Но благодаря опытам Мигеля Николелиса, о которых уже говорилось, мы понимаем, что мозг вполне способен управлять даже не одним, а несколькими внешними объектами сразу.
Допустим, что «третья рука» у вас уже есть. Непривычно, правда?
— Дело в том, — поясняет профессор, — что мы живём в двумерном манипуляторном мире: у нас две руки, и всё вокруг приспособлено к этому. Получив управляемый от мозга манипулятор, мы фактически переходим в трёхмерный мир манипуляций. А если предположить, что таких манипуляторов будет несколько, то представьте, насколько могут расшириться возможности человека.
Конечно, предполагается, что манипулятор в первую очередь поможет решить серьёзные медицинские проблемы. В частности, проблемы протезирования. На сегодняшний день в мире производятся очень хорошие биомеханические протезы. Но как ими управлять непосредственно от мозга? С появлением ИМК-манипулятора эта проблема будет решена: команды электрической активности мозга будут поступать прямо на электрические приводы протеза — протез в реальном времени будет осуществлять намерения человека.
— У многих возникает вопрос: сможет ли человек одновременно управлять своими руками и манипулятором? Ведь наше сознание способно удерживать в поле внимания лишь небольшое число действий. Здесь надо рассчитывать на так называемые процессы мозговой автоматизации, когда часть наших действий постепенно уходит из-под контроля сознания. Самый простой пример: вы переходите дорогу, разговариваете при этом по телефону и думаете одновременно о встрече, которая вам предстоит. Думаете ли вы о том, что переходите дорогу? Нет. Но вы же идёте, останавливаетесь на красный сигнал светофора, начинаете двигаться на зелёный. Вы делаете это автоматически. Таковы возможности нашего мозга. Так же и с манипулятором. Если найти схемы тренировки автоматизации, то вам надо будет просто… захотеть. И манипулятор тут же сделает всё что надо.
Если помечтать, то легко представить, что в ближайшем будущем в наших домах появятся разнообразные манипуляторы, исполняющие намерения человека. Заглядывая дальше, можно увидеть и роботов, которые выполняют разнообразную работу, повинуясь только силе наших желаний.
— Создание манипулятора, — заключает Александр Каплан, — это в настоящее время вопрос технический, сама технология интерфейса мозг-компьютер уже работает: вопрос в том, как сделать так, чтобы это устройство работало быстро и чётко.
Технология интерфейс мозг-компьютер ещё слишком нова, чтобы сразу быть широко востребованной. Её судьба чем-то похожа на историю создания и внедрения паровоза — она сама прокладывает себе дорогу. В паровоз ведь тоже никто не верил.
