Вчені і стартапи намагаються заглянути в людський мозок

Ліва рука Патріка Кайфоша лежить на столі біля нього. Іноді його пальці рухаються або долоню, легенько піднімається. Здається, немає жодного зв’язку між цими рухами і тим, що відбувається на екрані планшета навпроти нього, де він майстерно керує віртуальним зорельотом, який обходить астероїди, рухається вперед, в сторону або стріляє, пише The Economist.
Робити йому це дозволяє обруч посередині лівого передпліччя з золотими пластинами, облицьований електродами. Кожна пластина містить дюжину електродів, які вловлюють електричні сигнали моторних одиниць (комбінація мотонейрона і м’язового волокна, яке він контролює). Ці сигнали опрацьовують алгоритми машинного навчання і транслюють руху в грі. Кайфош, співзасновник стартапу CTRL-Labs, навчився здійснювати дивовижний контроль над цими сигналами без жодного видимого руху.
Втім, багато хто скептично оцінюють те, що Кайфош і співзасновник Томас Рирдон створили нейрокомпьютерный інтерфейс. Обруч з електродами розташований зовсім не в мозку, а сигнали, які він обробляє, породжуються не активізацією нейронів, а електричною активністю м’язів.
«Якщо це вважати нейрокомпьютерным інтерфейсом, то рух моїх пальців, коли я друкую на клавіатурі, слід також вважати аналізом мозкової активності», – невдоволено каже один дослідник. Але Крішна Шеной, який очолює Лабораторію дослідження нервового протезування в Стенфордському університеті вважає інакше. За його словами, «аналіз руху м’язових тканин це, по суті, аналіз нервової активності, що зумовлює цю активність, що підсилюється м’язами».
Якби не обґрунтовувалася семантика цих сигналів, цікава логіка компанії, яка вирішила аналізувати активність мозку з периферійної нервової системи замість того, щоб просто заглянути всередину голови. Стартап CTRL-Labs хоче створювати продукт на продаж. Нелогічно, що його покупці погодяться, щоб ним свердлили голову і вводили якісь імплантати. Зате сучасні неінвазивні методи сканування активності мозку підхоплюють нечіткі сигнали, які важко читати та інтерпретувати. «Для людей, які працюють з технологією машинного навчання, не питання, якому набору даних віддати перевагу кортикальним або моторних нейронів», говорить Рирдон.
Компроміс між ступенем інвазивності та якістю сигналів мозку є великою проблемою для тих, хто хоче створити нейрокомпьютерный інтерфейс. Вчені б’ються над тим, як навчитися «читати думки», не відкриваючи череп.
Найпростіший спосіб дізнатися, що відбувається в голові людини, це провести електроенцефалограму (ЕЕГ). Для цього потрібна «шапка» з безліччю електродів, які облягають поверхню черепа. Щоб посилити якість сигналу, часто використовують провідний гель (тому після сеансу потрібно помити голову), а шкіру голови іноді навмисне роблять шорсткою. Це не менш «приємна» процедура, ніж візит до стоматолога.
Кожен електрод в шоломі ЕЕГ фіксує струми, породжені активізацією тисяч нейронів, але тільки в області, яку він покриває. Активність нейронів глибоко в мозку за допомогою ЕЕГ детектувати неможливо. Сам сигнал спотворений шарами шкіри, кістки і мембраною електрода. Зате м’язова активність, яку детектують в лабораторії CTRL-Labs, дає набагато більш чіткі дані, ніж ЕЕГ.
Деякі сигнали ЕЕГ, однак, все-таки досить сильні. Це, зокрема, електричні сигнали, які мозок видає у відповідь на певні зовнішні стимули. Серед них виділяють сигнал Errp (error-related potential «потенціал, пов’язаний з помилкою»), який настає тоді, коли людина помічає якусь помилку. Дослідники з MIT зв’язали людину, якій наділи електроенцефалограф, з промисловим роботом, названим Baxter, який виконував завдання по сортуванню. Якщо Baxter робив помилку, сигнал Errp в мозку спостерігача сповіщав його про це. Якщо Baxter не реагував, мозок видавав сильніший сигнал.
Інший комерційний стартап Neurable розробив шолом з сімома сухими електродами, які розпізнають сигнал під назвою P300, за допомогою якого споживачі можуть грати в гру-аркаду у віртуальній реальності. Цей сигнал є маркером подиву або розпізнавання. Якщо ви подумаєте про слові «мозок», а згодом побачите на екрані ряд букв. Якщо серед них буде літера «м», ваш мозок, напевно, видасть сигнал P300. У грі, яку розробляє Neureble, потрібно концентруватися на об’єкті (наприклад, м’ячі) і можна подумки наблизити його до себе. Рамзес Алкейд, засновник Neurable, вважає, що їх розробка має потенціал для індустрії розваг, зокрема у тематичних парках та іграх-аркадах.
На думку Торстена Зандера з Технічного університету в Берліні, «пасивні» сигнали ЕЕГ, які не утворюються у відповідь на один зовнішній стимул, можна також корисно використовувати. З попередніх досліджень відомо, що активність мозку змінюється в залежності від того, наскільки сконцентрованим, сонним або свідомим є людина. Якщо ЕЕГ може це достовірно зафіксувати, то в такий спосіб можна ідентифікувати хірургів, пілотів або водіїв вантажівок, в чиїй професії втома пов’язана з небезпечними наслідками. Інше дослідження показало зв’язок між ментальним станом людей, який фіксує ЕЕГ, і їх здатністю помічати зброю та небезпечні предмети у ренгтеновских сканах багажу.
Однак використання ЕЕГ залишається досить обмеженим. У реальному житті, наприклад, в кабіні пілота, в автомобілі або в аеропорту, активність м’язів і сусіднє електрика спотворюють сигнали електродів. Інші неінвазивні технології також мають свої недоліки. Магнітна энцефалография вимірює магнітні поля, які утворює електрична активність мозку. Це можна робити тільки в спеціальній кімнаті, яка нейтралізує вплив магнітного поля Землі. Функціональна магнітно-резонансна зняття помічає зміни в ступені окисленні крові, які є точним індикатором нервової активності, і може утримувати увагу на дуже невеликій ділянці мозку. Але ця технологія вимагає великого і дорогого обладнання. Крім того, існує певна прірва між активністю мозку та циркуляцією в ньому крові.
Є, правда, одна технологія, яка теоретично може стати проривом у неінвазивному скануванні мозку. Мова йде про варіацію fNIRS технології на основі інфрачервоних променів, яку використовують для того, щоб комунікувати з паралізованими пацієнтами. По суті, череп висвітлюють інфрачервоним світлом, який або поглинається або відбивається назад на детектори, даючи картину того, що відбувається в мозку. Техніка не потребує громіздкого обладнання і, на відміну від ЕЕГ, не вимірює електричну активність, тому її сигнали не сплутується з сигналами м’язів. Facebook і Openwater вже активно досліджують цю техніку.
З нею, однак, пов’язані величезні труднощі. Сучасні інфрачервоні технології вимірюють епіфеномен окислення крові, що впливає на ступінь поглинання світла. Світло, як правило, проникає лише на кілька міліметрів в кору. Оскільки воно розсіюється в тканини (подумайте хоча б про кінчик пальця, який весь світиться червоним, коли ви докладете до нього ліхтарик), точний джерело сигналу буває дуже важко ідентифікувати. Facebook вважає за краще приховувати те, що робить. Зусилля компанії в цьому напрямку очолює Марк Шевилье з Університету Джона Хопкінса. Щоб вирішити проблему розсіювання, команда Шевилье прагне ідентифікувати як фотони, які проходять крізь тканину по прямій лінії, які називаються «балістичними», так і ті, які відхиляються від прямої траєкторії («квазибаллистические»).
Шевилье має справу з дворічною програмою, протягом якого він повинен продемонструвати, що її мета друк не менше 100 слів за хвилину, контрольована самим мозком, досяжна з використанням неінвазивних технологій сканування мозку. Openwater приховує набагато менше. Цей стартап в Сан-Франциско використовує голографію для реконструкції того, як світло розсіюється в тканинах, що дозволяє нейтралізувати цей ефект. Openwater стверджує, що вже створив технологію, яка має в мільярд разів краще дозвіл, ніж машина фМРТ, може проникати в кору на глибину 10 см і збирати дані за мілісекунди. Тепер компанії потрібно продемонструвати технологію, щоб довести ці твердження. Публічна демонстрація повинна відбутися вже в цьому році.
У той час як одні компанії хочуть навчитися читати думки безпосередньо з мозку, інші використовують для цього периферійну нервову систему. CTRL-Labs вже показала один спосіб, як це можна зробити. Інший підхід запропонував нейрофізіолог Цю Вен з Колумбійського університету, який вивчає роль блакитного плями (locus coeruleus) ядра глибоко в стовбурі мозку, що грає роль у моделюванні тривоги і стресу. Вен шукає спосіб стимуляції блукаючого нерва, який проходить під шкірою від мозку до живота, щоб з його допомогою вплинути на блакитну пляму. Інших вчених цікавлять інвазивні методи, які не передбачають свердління черепної коробки. Компанія під назвою SmartSten запропонувала технологію, яка полягає у використанні стентоподобного пристрою, названого стентродом, який вводиться в тіло пацієнта через невеликий надріз на шиї і потрапляє через кровоносні судини в мозок, який облягає своїми електродами. Клінічні випробування стентрода повинні початися вже в наступному році. Інший підхід полягає в тому, щоб помістити електроди під скальп, а не під череп. Максим Бод, невролог з Wyss Centre, хоче використовувати його для моніторингу нервових сигналів, які передують нападів епілепсії.