Шевели датчиками? Что обещают исследования мозга

В феврале 2013 года президент США Барак Обама, представляя Конгрессу новый проект по исследованиям мозга «Инициатива BRAIN», заявил: «Настало время выйти на уровень научных исследований и разработок, невиданный с момента пика космической гонки».

2013 год стал знаковым в области нейронаук. На место космической пришла мозговая гонка. Именно тогда в разных уголках мира стартовали крупнейшие научные программы по изучению мозга.

Первая из них, рассчитанная на десятилетие, — «Проект мозг человека» (Hu­man Brain Project) — была инициирована в Европе. В рамках проекта работают сотни лабораторий из 26 стран.

Исследования в европейской программе в существенной степени посвящены развитию различных информационных технологий: созданию баз данных для ученых, занимающихся исследованием мозга, моделированию искусственных нейронных сетей, нейророботизации, созданию нейроморфного искусственного интеллекта. Общая стоимость проекта была оценена в миллиард евро.

Через несколько месяцев после появления европейской программы правительство США объявило о создании американской программы «Инициатива BRAIN». В данном случае слово BRAIN (которое переводится на русский как «мозг») — это аббревиатура Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies — Исследования мозга с помощью инновационных нейротехнологий.

В американскую программу входят разработки методов изучения мозга следующих поколений, которые позволят продвинуть изучение мозга на клеточном уровне. «Приоритетом программы является разработка и использование методов для получения фундаментальных знаний о функционировании нервной системы», — заявили авторы программы. Американские нейроученые решили изучать, как динамические паттерны нейронной активности становятся мышлением, эмоциями, восприятием, принятием решений в здоровом и больном мозге.

Годом позже в это соревнование включились Япония и Израиль, затем Австралия, Южная Корея и Канада.

В 2017 году к мозговой гонке подключился Китай. Эта страна в течение нескольких лет разрабатывала крупную программу.

Китайцы позже включились в соревнование по исследованию мозга, и по сравнению с США нейронаука (особенно фундаментальная) изначально была там развита хуже. Однако сейчас Китай активно догоняет США.

Китайцы решили охватить темы, которыми занимаются и в Европе, и в США. С одной стороны, они намерены сосредоточиться на изучении нервных основ когнитивных функций, т. е. заниматься фундаментальными исследованиями работы мозга. А с другой — заниматься ранней диагностикой и лечением заболеваний мозга. Кроме того, они занимаются разработкой технологий, инспирированных работой мозга — созданием нейрокомпьютерных интерфейсов и систем искусственного интеллекта, основанных на нейроморфных принципах.

А что же в России?

Россия пытается включиться в мозговую гонку, но процесс этот идет с большими сложностями. Это и удивительно, и досадно.

Фундаментальные исследования мозга и прикладные разработки в России ведутся давно. Проект по исследованию высшей нервной деятельности, созданный в СССР в 1930-е годы, являлся крупнейшим в мировой истории. Он длился в течение нескольких десятилетий, по 50-е годы XX столетия и включал в себя самые обширные области науки: нейрофизиологию, психологию поведения, воспитания, искусства, а также лингвистику и другие науки. В работу были включены сотни лабораторий и институтов.

До сих пор российские нейробиологи в мире особенно высоко ценятся, — научная школа в этой сфере всё еще остается достаточно сильной. Кроме того, наша страна также всё еще сильна математической школой.

Так что у нашей страны есть все шансы быть не последними в мозговой гонке: и в фундаментальных исследованиях нейробиологов, и в неотъемлемой ныне части исследований в области искусственного интеллекта у нас есть достаточно ученых.

И они отчаянно пытаются не отставать от своих коллег в других странах и начинают разворачивать вполне амбициозные проекты. В июне 2021 года ректор МГУ Виктор Садовничий на Петербургском международном экономическом форуме (ПМЭФ) рассказал о планах по созданию двух новых факультетов. Первый будет заниматься изучением мозга, второй — разработками в части искусственного интеллекта.

В 2021 году в МГУ была основана междисциплинарная научно-образовательная школа «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект».

Стратегическая цель школы — проведение в Московском университете междисциплинарных исследований в области наук о мозге, когнитивных наук и искусственного интеллекта, сохранение и развитие научных школ МГУ в этих областях, привлечение в них талантливой молодежи и подготовка высококвалифицированных кадров в этих взаимосвязанных дисциплинах.

Кроме того, в России был создан проект «Мозг и информация: от естественного интеллекта к искусственному». Возглавляет его Виктор Садовничий. Фундаментальная часть программы посвящена исследованиям проблемы сознания, над которыми работает Институт перспективных исследований мозга МГУ. Руководит институтом академик Константин Анохин.

Для финансирования исследовательских проектов была создана девятилетняя программа «Мозг, здоровье, интеллект, инновации», рассчитанная до 2030 года. В 2021 году на нее предполагалось выделить 54 миллиарда рублей. Но не сложилось…

В июне 2021 года в газете «Коммерсант» вышла скандальная статья под названием «Мозгоправительство. Власти прорабатывают программу вживления чипов в мозг человека», в которой сообщалось, что в России началось финансирование проекта по чипированию людей.

СМИ взорвались заголовками вроде «Правительство разрабатывает программу по вживлению чипов в мозг человека» или «СМИ узнали о программе правительства по вживлению в мозг микрочипов» (РБК).

В публикациях делался акцент на теме чипирования мозга, но практически не говорилось о том, что базовая часть программы посвящена фундаментальным исследованиям мозга, и она не имеет ничего общего с чипированием мозга.

После поднятой шумихи проект «Мозг, здоровье, интеллект, инновации», который должен был войти в нацпроект «Наука», позже — «Наука и университеты», был заморожен.

«Федеральная исследовательская программа, которая предполагала изучение возможности управлять внешними устройствами с помощью вживленных в мозг микрокомпьютеров, была закрыта еще в прошлом году, поскольку правительство России пришло к выводу о ее «нецелесообразности», — сообщили в пресс-службе Минобрнауки.

Оказывается, для включения программы в нацпроект нужно, чтобы она не вызывала неоднозначных реакций общества.

Неожиданный отказ в финансировании научных исследований только в результате резонансных публикаций в СМИ порождает вопросы. Достаточно много инициатив, вызывающих резкую критику и неприятие в обществе, наше правительство реализует, не оглядываясь на это самое общество. Среди них, например, оголтелая цифровизация образования, вызвавшая массовые протесты родителей. А тут правительство, постоянно игнорирующее мнение граждан, вдруг сконфузилось.

Оказалось, что достаточно нескольких публикаций, чтобы оно заморозило финансирование фундаментальных исследований мозга. Создается впечатление, что в мозговой гонке русским ученым кто-то решил поставить подножку.

Основные направления исследований

Итак, из программ исследований мозга разных стран мы видим, что интересуют их в целом три важные темы:

1. Изучение работы мозга, понимание процессов познания, кодирования, хранения и обработки информации.

2. Создание нейроморфных (мозгоподобных) систем искусственного интеллекта на основе изученных принципов работы мозга. Здесь важно понять, что впервые нейронаука меняет ориентиры. Если ранее ее развитие подталкивалось нуждами медицины и необходимостью лечения неврологических и психических заболеваний, то теперь новых знаний от нее ждут ученые, занимающиеся созданием нового поколения систем искусственного интеллекта.

3. Разработка нейроинтерфейсов.

Почему мозговая гонка началась именно сейчас?

Изучением мозга ученые активно занимались и раньше. Однако в конце 1980-х — начале 1990-х в нейронауке начались революционные процессы. Стали появляться новые методы исследования, были получены новые знания в области генетики, биологии, нанонаук. Все эти возможности кумулятивно накапливались и привели к резкому рывку в 2013 году.

В технологически развитых странах стали говорить о том, что исследование мозга должно стать ключевой задачей науки и что самые важные государственные научно-технологические программы должны быть связаны с этой тематикой.

Революция в методах позволила поднять уровень исследований на принципиально новую высоту.

Раньше исследователи в основном имели дело с целыми структурами и областями мозга, а основными методами его изучения были электроэнцефалограмма (ЭЭГ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Эти методы позволяли фиксировать электрическую активность конгломератов клеток, насчитывающих миллионы (ЭЭГ) или сотню тысяч (фМРТ) нейронов.

Помещение электродов непосредственно внутрь черепной коробки позволяло делать более точные замеры, но не давало возможности фиксировать активность отдельных нервных клеток, поскольку в миллиметре коры может быть от 50 до 100 тысяч нейронов.

Однако теперь появились методы, позволяющие проводить исследования на клеточном уровне. Ученые получили возможность обращаться к отдельным клеткам, а не целым структурам мозга.

При исследовании мозга животных стали использоваться методы нейрофотоники. Они позволяют проникнуть в глубины мозга и с помощью оптики изучать отдельные нервные клетки.

Эти клетки помечаются белком, реагирующим на возбуждение светом. Делается это методами генной инженерии: при помощи вирусов или при выведении трансгенных животных можно заставить любую клетку производить флуоресцентный белок. И производить этот белок будут конкретные клетки в конкретном месте.

Эта технология позволяет увидеть геометрию, расположение нейронов, дает возможность долгое время наблюдать за одним нейроном.

В человеческом мозге около 100 миллиардов нейронов. Каждый нейрон обладает примерно 10 тысячами контактов. В целом связей между нейронами около 100 триллионов, а число комбинаций нейронной активности и вовсе гиперастрономическое — их больше, чем число элементарных частиц в известной нам вселенной. Принимая во внимание бесконечную сложность устройства человеческого мозга, мы прекрасно понимаем, насколько мало о нем знаем. Ученые до сих пор не могут описать принципы работы разума и сознания.

Однако эти астрономические и гиперастрономические масштабы не отбивают у исследователей охоты изучать отдельные клетки мозга и через них исследовать ментальные процессы. Так, например, эксперименты показывают, что стимуляции нескольких специализированных клеток в мозге животных достаточно для того, чтобы вызвать, как предполагают исследователи, субъективные ощущения и явным образом сдвинуть поведение животного в нужную сторону.

Понимание того, что единицей хранения информации может быть не группа клеток, а отдельный нейрон, также произвело революционные сдвиги в нейронауках.

Еще одним важным фактором, продвинувшим исследования резко вперед, стало развитие информационных технологий, позволяющих анализировать огромные массивы данных о протекающих в мозге процессах.

Чего же позволили добиться эти новые знания и технологии в нейронауках? Расскажем лишь о некоторых исследованиях в этой области.

Чтение мыслей. Как бы фантастически это ни звучало, но исследователи разработали пусть и грубые, но всё же реальные методы чтения мыслей. Они получили название Мind reading (чтение мыслей) или Вrain reading (чтение мозга).

Иными словами, ученые уже умеют выявлять, какой умственной деятельностью занят в данный момент человек. Новые методы фиксации и анализа активности мозга позволили начать серьезные разработки в области картирования — нанесения на развернутую карту концепций и понятий, которые репрезентированы в мозге взрослого человека.

Благодаря системам искусственного интеллекта, т. е. использованию алгоритмов машинного обучения, стало возможным натренировать компьютерную нейросеть распознавать по сигналам электрической активности мозга образы (как статичные, так и движущиеся), которые человек видит в данный момент. Пока эти образы воспроизводятся грубо и неточно, но здесь важно то, что ученые теперь обладают кодом, позволяющим соединить ментальные процессы с процессами в нервной системе.

Обучение нейросети происходит следующим образом: испытуемым предъявляются различные клипы, активность мозга фиксируется с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Полученная у нескольких испытуемых информация накапливается, с ее помощью нейросеть обучается. А далее, используя полученный «опыт», она способна распознавать видеоряд у людей, не участвовавших в процессе машинного обучения.

Декодирование содержания снов. Машинное же обучение позволяет декодировать содержание снов. В ходе исследования ученые фиксировали активность спящего человека, затем его будили и сверяли, действительно ли искусственный интеллект верно предсказал образы, которые человек видел во сне. Машина распознает образы недостаточно точно, но различать мужчин или женщин, группу людей или одного человека она уже способна.

Реконструировать из активности головного мозга можно не только образы, но и речь. Но если предыдущие способы основывались на фиксации активности мозга с помощью неинвазивных методов, т. е. с помощью ЭЭГ и фМРТ, то реконструкция речи проводилась по сигналам, полученным с помощью сетки электродов, которые накладывались непосредственно на мозг. Речь реконструировалась с помощью систем искусственного интеллекта. По активности мозга ученые научились искусственно воспроизводить то, что человек только планирует сказать мысленно, даже без артикуляции гортанью.

Но попытки понять природу опыта, сознания, памяти через такой макрокод ограничены. ФМРТ работает с группой клеток в сотни тысяч единиц и фиксирует их общую активность, тогда как для получения более точных результатов нужно работать с отдельными клетками.

Нейроинтерфейсы

Нейроинтерфейс (или мозго-компьютерный интерфейс) — это технология, позволяющая мозгу передавать внешнему устройству информацию и принимать ее от внешнего устройства. Таким внешним устройством может быть компьютер, искусственные конечности, экзоскелет, дрон, инвалидная коляска и т. д.

Такое устройство дает, например, возможность двигаться парализованным людям. Так, при повреждении спинного мозга человек уже не может двигать ногами или руками, но области мозга, управляющие движениями, остаются сохранными. Они способны и дальше управлять телом. Мысленные команды человека декодируются по записи электрической активности его мозга. Электрические сигналы, исходящие от мозга, подводятся к внешнему устройству.

Существуют также интерфейсы, способные передавать сигналы от протеза в мозг. Большая часть интерфейсов на данный момент являются неинвазивными, поскольку инвазивные технологии — вживление электродов непосредственно в мозг, имеют серьезные недостатки. Электроды отторгаются мозгом или наносят ему вред. Поэтому исследователи пытаются создавать новые устройства, основанные на других технологиях.

Заведующий лабораторией сосудистой бионики Мельбурнского университета Томас Оксли разработал устройство, которое считывает импульсы с коры головного мозга, анализирует их и передает на компьютер в виде команд. Устройство помещено внутрь черепа, но попадает оно туда эндоваскулярно — через яремную вену в венозный канал, идущий между полушариями головного мозга — почти под самое темя.

Нейропротез представляет собой проволоку из гибкого сплава титана и никеля, сплетенную в виде сетки длиной 40 мм и шириной 8 мм, на которой расположены 16 датчиков, фиксирующих сигналы мозга.

Благодаря этому устройству частично парализованный человек с боковым амиотрофическим склерозом смог написать сообщение в Twitter силой мысли в прямом смысле слова.

А в 2016 году в США прошли успешные испытания по вживлению в нервы и мускулы крысы так называемой «нейропыли». Нейропыль представляет собой беспроводные микроскопические датчики размером меньше миллиметра, запитываемые от ультразвука. Эти устройства дадут возможность получать информацию по всему организму, в том числе и фиксировать активность нейронов глубоко в мозге.

Исследование того, как протекают психические процессы в мозге, открывает и возможности разработки методов воздействия на него. Сейчас уже стало возможным влиять на эмоциональное состояние и процесс принятия решений.

Так, например, стимулируя с помощью электродов глубокие структуры мозга, можно получить доступ к областям мозга, ответственным за удовольствие и за мотивацию.

Об интересном эксперименте по созданию так называемой «робокрысы», проведенном около 20 лет назад, рассказал Михаил Лебедев, старший научный сотрудник Центра нейроинженерии Университета Дьюка, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики. Один электрод крысе вживили в область мотивации, а еще два — в соматосенсорные области, ответственные за выполнение сложных движений и контроль положения частей тела между собой в пространстве.

«В соматосенсорных областях ей говорили, куда бежать: направо или налево. А за правильное поведение ей в зону удовольствия поступал импульс. В результате [крысой] можно было управлять просто с помощью ремоут-контроля «вперед, назад, вверх, вниз».

Статья, посвященная этому исследованию, наделала много шума. Ровно ту же операцию можно проделать с человеком. В этом смысле человек не сильно отличается от крысы. Если его стимулировать в области удовольствия, он на это подсядет, считает Лебедев.

«Вы можете не заметить, что вами управляют. Вы можете вполне думать, что вы сами захотели это сделать, потому что почувствовали желание», — рассказал он.

Воздействие на мозг человека и коррекция его эмоционального состояния уже осуществляется. Правда, пока в лечебных целях. Осенью 2021 года сотрудники кафедры клинической психиатрии Калифорнийского университета заявили об успешном проведении первой операции по вживлению в мозг имплантата, который борется с депрессией.

Устройство выявляет паттерны активности мозга, связанные с депрессией, и останавливает при помощи электрической стимуляции.

«Депрессия ушла. Но тут же возникает проблема, что он просто кнопочкой будет себя постоянно стимулировать, и это будет как наркотик. Если привязать эту стимуляцию к какому-то поведению, то вот вам и получился контроль. Каждый раз, когда вы читаете научную книжку — вам стимуляция. А можно вас заставить сделать и что-то другое», — комментирует эту технологию Михаил Лебедев.

Раньше глубокая стимуляция мозга применялась при лечении пациентов с болезнью Паркинсона и эпилепсией. Теперь мы видим, что область ее применения расширяется.

А не так давно известный предприниматель Илон Маск, анонсировавший создание собственных нейроинтерфейсов, заявил о том, что применять их можно будет и здоровым людям.

Ком этических проблем

Выше мы намеренно не касались этической стороны вопроса. Нам было важно познакомить читателей с состоянием дел в области нейронаук.

Однако при появлении каждой новой разработки в области нейронаук возникают этические вопросы. Мы видим, что у ученых, у человечества появились серьезные возможности прямого вмешательства во внутренний мир человека.

«Когда я работал с памятью, я понимал, насколько на самом деле это можно сделать предметом злоупотреблений. С сознанием тоже. До сих пор были технологии по изменению внешнего мира. Сейчас мы приближаемся к технологиям, которые способны изменять нас самих внутри себя. Я думаю, что это огромный ком этических и моральных проблем для человечества. Не знаю, как справиться», — с грустью говорит нейробиолог, директор Института перспективных исследований мозга МГУ имени М. В. Ломоносова, академик РАН Константин Анохин.

Методы изучения активности мозга дают возможности, по сути, вскрыть человека, лишить его интимности, права на собственный внутренний мир, на тайну о себе, права на автономность.

Раньше попытки контроля и воздействия на человека шли извне, они должны были проходить через фильтр его сознания, и он мог им сознательно же сопротивляться. Теперь, как говорят исследователи, технологии смогут воздействовать на желания и поступки человека так, что он будет уверен в том, что они исходят от него самого и совершаются по его воле. Конечно, давно известны способы воздействия на человека в обход его сознания: гипноз, НЛП-техники и некоторые другие методы. Но они никогда не были массовым явлением и имеют массу ограничений, связанных с тем, что инструментом тут выступает личность того, кто пытается воздействовать на человека.

Сможет ли общество справиться с опасностью и с возможными злоупотреблениями, спрашивает академик Анохин? Для того чтобы иметь дело с полученными технологиями и не допустить злоупотреблений ими, общество должно обладать определенными качествами и характеристиками — как минимум руководствоваться твердыми этическими и моральными принципами.

Насколько наше сегодняшнее общество таково? Насколько тверд в своих этических и моральных принципах новый общественный класс цифровизаторов, который в первую очередь будет иметь доступ к знаниям и достижениям нейронауки?

Эксперт в области информационных технологий Игорь Ашманов назвал его «цифровым классом». Он дал ему страшную характеристику. «Очень многие из них — те, кто особенно сейчас приходит наниматься, — это техноварвары. Это люди одичавшие, которые знают только цифровую сферу, и за ее пределами они не знают почти ничего. У них есть абсолютное чувство безнаказанности и надо еще понимать, что у них есть чувство превосходства», — рассказал Ашманов.

В отличие от ученых, занимающихся фундаментальными исследованиями, техноварвары не будут мучиться этическими вопросами. Они не тревожатся по поводу злоупотреблений и уже создают стратегии будущего и планы по утилизации плодов очередной технологической революции, которая, по их мнению, будет связана с развитием нейронаук.

Какое будущее они нам готовят?

(Продолжение следует…)