29 апреля 2015

Как работают нейрокомпьютерные интерфейсы

Новости

Мы живем в довольно интересное время, когда технологии, которые еще вчера казались научной фантастикой, сегодня постепенно входят в нашу жизнь. Или как минимум они делают первые робкие шаги к этому. Одним из примеров являются технологии нейрокомпьютерных интерфейсов. С одной стороны, это всего лишь еще один способ взаимодействия человека и машины, а с другой — нечто более революционное.

Нейрокомпьютерные интерфейсы — что это и как работает?

Современные способы управления компьютером — это мышка, клавиатура, сенсорный экран. Постепенно в жизнь входит управление через жесты, голосом. Компьютер уже умеет следить за нашими зрачками, за направлением нашего взгляда. Следующий этап взаимодействия человека и машины — это прямое считывание сигналов нервной системы, то есть нейрокомпьютерные интерфейсы.

С чего все началось?

Теоретические работы в этом направлении базируются на фундаментальных трудах И.М. Сеченова и И.П. Павлова — авторов теории условных рефлексов. В России активная разработка теории, лежащей в основе работы подобных устройств, началась еще в середине XX века, практические исследования велись уже в 70-х годах XX века как в России, так и за рубежом.

Ученые вживляли мартышкам датчики и заставляли силой мысли управлять клешнями роботов, чтобы есть бананы

В те далекие годы ученые развлекались тем, что вживляли мартышкам разные датчики и заставляли силой мысли управлять клешнями роботов, чтобы есть бананы. Что самое интересное, у обезьян это получалось.

Как говорится, есть захочешь — и не так извернешься. Основной проблемой было, что в нагрузку к роботу и датчику прилагался небольшой шкафчик с электроникой, который занимал целую комнату.

Сейчас в этом смысле стало проще, миниатюризация сделала свое дело. И теперь каждый уважающий себя гик может почувствовать себя в роли мартышки. Я уже не говорю о реальной пользе, которую эти устройства могут и должны принести инвалидам и парализованным. Но обо всем по порядку.

Как это работает?

Если очень упростить, то нервная система человека во время работы порождает, передает и обрабатывает электрохимические сигналы в разных частях организма. И электрическую составляющую этих сигналов можно попытаться «прочитать» и интерпретировать.

Для этих целей можно использовать разные способы, которые имеют свои достоинства и недостатки. Например, можно снимать сигналы при помощи магнитно-резонансной томографии (МРТ), но приборы слишком громоздкие.

Можно постоянно вводить специальные вещества-маркеры, но тем самым можно навредить организму. Наконец, можно накладывать или вживлять небольшие датчики в определенные части тела. Именно использование таких датчиков и образует так называемые нейрокомпьютерные интерфейсы.

В повседневной жизни подобное устройство мы можем встретить в кабинете невропатолога. Оно представляет собой резиновую шапочку с большим количеством проводов и датчиков. Это диагностическое устройство, но никто не мешает приспособить его для других нужд.

Следует различать нейрокомпьютерные интерфейсы и «мозгокомпьютерные» интерфейсы. Вторые являются лишь частным случаем первого и имеют дело только с головным мозгом. Нейроинтерфейсы взаимодействуют со всем телом. По сути, мы имеем опосредованное или прямое подключение к нервной системе человека, через которое мы можем получать и посылать некие сигналы.

Можно по-разному «подключиться» к человеку. Все зависит от датчиков. Например, по степени погружения датчики бывают:

  • Непогружные — электроды находятся на поверхности кожи или даже несколько удалены от нее, как в медицинской шапочке.
  • Частично погружные — датчики находятся на поверхности мозга или рядом с нервами.
  • Погружные датчики — это непосредственное вживление в мозг или в нервы и сращивание с ними. У этого варианта есть много негативных побочных эффектов — можно случайно что-то задеть, вызвать реакцию отторжения организма, да и вообще страшно. Но он тоже используется.

Для улучшения качества сигнала датчики могут дополнительно смачивать специальными жидкостями, проводить первичную обработку сигнала «на месте» и так далее. Далее считанные сигналы обрабатываются специализированным программно-аппаратным обеспечением и в зависимости от целей выдают тот или иной результат.

Где можно использовать?

Самое первое, что приходит в голову, — научные исследования. Если обратиться к ранним работам, то в основном это эксперименты на животных. Собственно, с этого все и началось, как уже говорилось выше: мышам и обезьянам вживляли небольшие электроды и смотрели за активностью тех или иных областей мозга и частей нервной системы. Полученная информация давала возможность глубокого изучения протекающих в мозге процессов.

Далее — медицинские цели. Подобные интерфейсы уже нашли применение в медицине в виде диагностических медицинских приборов для невропатологов. Если результат выдается непосредственно испытуемому, то может включиться в работу так называемая биологическая обратная связь.

Включается дополнительный канал саморегуляции организма, когда физиологическая информация предоставляется пользователю в доступном виде, а он учится управлять своим состоянием на ее основе. Подобные приборы уже существуют и используются.

Перспективным направлением считается нейропротезирование, где достигнуты отдельные успехи. В случае невозможности восстановить поврежденные проводящие нервы в парализованной конечности можно вживить электроды, которые будут проводить сигналы к мышцам. Сюда же относится подключение к нервной системе искусственных протезов взамен утраченных конечностей. Или удаленное управление роботами «аватарами».

Сенсорное протезирование. Уже обыденным примером можно считать кохлеарный имплант, который позволяет восстановить слух людям. Также уже сейчас существуют нейроимпланты сетчатки глаза, позволяющие частично восстановить зрение.

Широкий простор для воображения дают игры. И не только с использованием виртуальной реальности, но и, например, вполне обыденное управление радиоигрушками при помощи такого рода устройств.

А если к возможности считывать сигналы добавить возможность посылать их обратно, стимулируя определенные части нервной системы, то (пока лишь в теории) это открывает невероятные перспективы для индустрии развлечений.

Можно ли читать или записывать мысли?

На текущем уровне развития технологий — и да, и нет. Считываемые сигналы не являются мыслями в прямом смысле этого слова, и прочитать с помощью такого устройства, что конкретно думает тот или иной человек, нельзя.

Эти сигналы лишь «след» деятельности нервной системы, с шумами, с запаздыванием до одной секунды. Считывается даже не конкретный нейрон (нервная клетка), а лишь активность некоторой области мозга или нервной системы. Поэтому поймать конкретную мысль вряд ли получится.

С другой стороны, уже существуют исследования, базирующиеся на магнитно-резонансной томографии, которые позволяют «расшифровывать» образы, возникающие при просмотре тех или иных изображений. Они не отличаются высокой точностью, но позволяют оценить общую картинку.

С записью мыслей все еще сложнее. Открытых исследований на эту тему нет. Но можно дать предостережение, опираясь на соседние области знаний. Если отвлеченно посмотреть на электросудорожную терапию, то при ее помощи можно довольно неплохо стирать память у людей и негативно влиять на их познавательные способности. С другой стороны, глубокая стимуляция головного мозга успешно используется для компенсации болезни Паркинсона.

Какое отношение это имеет к информационной безопасности?

Как ни странно, самое непосредственное. Не будем касаться этических вопросов использования нейроинтерфейсов — время расставит все по местам. Но важно понимать, что подобные устройства, как и любая сложная электроника, нуждаются в защите.

Сейчас все принято подключать к Интернету, очевидно, что нейроустройства также не минует данная участь: как минимум велик соблазн использовать Всемирную сеть для того, чтобы отсылать диагностическую информацию о состоянии владельца или самого устройства. И через подключение устройство может быть взломано.

И это не говоря уже о недалеком будущем, в котором нейроинтерфейсы, вероятно, будут использоваться повсеместно. Представьте, вы вживили себе импланты, улучшающие зрение и слух, а через них вам транслируют рекламу или вовсе передают ложную информацию.

Еще более пугающе выглядит чтение мыслей, не говоря уже о записи мыслей. Если уже сейчас есть возможность считывать видеообразы (пусть и с большими помехами), то что будет, когда технология усовершенствуется?

Возможно, пока подобные опасения напоминают сценарии фантастических боевиков. Однако при тех темпах, которые в наши дни свойственны развитию и внедрению новых технологий, нейроустройства и сопутствующие их использованию проблемы могут войти в повседневную жизнь людей гораздо стремительнее, чем кажется сейчас.

P.S. А еще такая штука сейчас лежит у меня на рабочем месте. Если кому-то из сотрудников московского офиса «Лаборатории Касперского» интересно — заходите попробовать в свободное от работы время.