Сила мысли: Чтобы открыть программу, дважды подумайте об иконке

В середине прошлого века фантасты писали, что в будущем люди научатся управлять техникой одной лишь силой мысли. И вот это самое будущее наступило. Первые подобные устройства сейчас проходят стендовые испытания в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (ИВНД и НФ) РАН.
Владимир Гаврилов
2
28406

Заведующий Лабораторией физиологии сенсорных систем ИВНД и НФ РАН Игорь Шевелев подвел нас к тяжелой двери в локоть толщиной, с видимым усилием потянул ее на себя, и перед нами открылась святая святых. Стены небольшой комнаты сплошь покрыты металлической сеткой и звукопоглощающими экранами, ограждающими расположенную здесь аппаратуру от всевозможных электромагнитных помех. Посередине располагалось одинокое кресло с ворохом проводов, подключенных к мощным усилителям, прикрепленным у изголовья. «Любой человек, облаченный в специальный шлем, сидя вот здесь, способен с помощью мысли управлять компьютером, а через него разными механическими устройствами: роботами, манипуляторами и электрокарами, — пояснил Игорь Шевелев, хлопнув по потертому дерматину. — Но главное, при помощи мысли уже сейчас можно набирать текст на компьютере, что является настоящим прорывом в прикладной нейрофизиологии». Верилось, честно говоря, с трудом. Слишком уж абстрактная это вещь мысль, чтобы так просто ее уловить да еще и преобразовать в команды для компьютера, робота, электрокара…

На заре компьютерной эры

Идея об управлении машиной одной лишь силой мысли зародилась в середине ХХ века, когда для изучения деятельности мозга стали широко применяться электроэнцефалографы (ЭЭГ). Первым человеком, реализовавшим ее на практике, стал англичанин Эдмонд Деван. В 1967 году в Кембридже он провел серию экспериментов, в ходе которых люди, подключенные к аппаратуре ЭЭГ, учились контролировать амплитуду мозгового альфа-ритма. Испытуемые самостоятельно, то расслабляясь, то возбуждаясь, передавали сигналы, преобразовываемые компьютером в точки или тире, складывающиеся в азбуку Морзе. Вполне закономерно, что первым словом, мысленно переданным на телетайп, стало слово «кибернетика».

Идею тут же подхватили военные. В начале 1970-х годов американское Агентство перспективных оборонных разработок (Defense Advanced Research Projects Agency — DARPA) объявило о начале работ по созданию — ни много ни мало — истребителя, управляемого одной лишь силой мысли. К исследованию подключились ведущие научные организации США. Разрабатывались системы, дававшие возможность летчику, не отвлекаясь от управления самолетом, включать и выключать ряд функций авионики. К сожалению, низкий уровень тогдашних технологий не позволил довести начатую работу до конца. Компьютеры и другие электронные приборы были слишком велики для размещения на самолетах, да и производительность их заставляла желать лучшего. Программа была свернута.

Вспомнили о ней ученые только в 90-е годы ХХ века, когда новые разработки в электронике и компьютерной технике позволили вернуться к созданию интерфейса мозг-компьютер (Brain-Computer Interface — BCI) на качественно новом уровне. В настоящее время подобные системы активно конструируются в США, Германии, Японии, Китае, России и других странах.

Люди-киборги

В 1998 году сразу в двух точках земного шара — университете Эмори (США) и Тюбингенском университете (Германия) — были поставлены практически идентичные эксперименты. Мужчине, парализованному после инсульта, прямо в мозг были имплантированы микроэлектроды, при помощи которых компьютер измерял электрические импульсы мозга и преобразовывал их в команды для управления курсором. Больной представлял, что двигает правой или левой рукой, и курсор на экране монитора перемещался в ту или иную сторону. Выбирая на экране из заранее подготовленного списка различные фразы, инвалид мог позвать медицинскую сестру, попросить пить или есть, а также включить или выключить телевизор.

Функциональность этого устройства навела ученых на мысль попробовать изготовить механические протезы, управляемые мозгом посредством вживленных в него электродов.

Наибольшую известность получил эксперимент, проведенный в 2001 году в США Мигелем Николелисом из университета Дюка. Внедрив в мозг обезьяны несколько электродов, он добился поразительной синхронизации движения настоящей руки животного и ее роботизированного аналога. Стоило мартышке сжать в своей руке игрушку, как киберрука в точности повторяла ее жест.

Дальнейшее продолжение эти исследования получили в опытах нейрохирурга Джона Донога из университета Брауна (США). В 2002 году он провел интересный эксперимент с обезьянами. Животных научили играть в компьютерную игру, в ходе которой одним круглым мячом на экране компьютера надо было поймать другой. В эксперименте участвовали три обезьянки, в мозг которых была вживлена система электродов, измеряющих активность тех его областей, которые отвечали за работу рук. Сначала животные пользовались джойстиками, но вскоре их отключили, и компьютер стал читать сигналы мозга, снимаемые с внутричерепных электродов. Ни о чем не подозревающие животные продолжали играть, а мячик все так же двигался по экрану без всяких задержек. Получалось, что обезьяны управляли им при помощи одних лишь мыслей.

Но дальше всех пошла американская компания Cyberkinetics. Весной 2005 года она успешно завершила многолетние испытания чипов-имплантатов BrainGate («Ворота в мозг»), призванных облегчить жизнь парализованным пациентам.

Первым человеком, в мозг которого был вживлен чудо-чип, стал Мэттью Нейгл. 25-летнего американца полностью парализовало в 2001 году в результате ножевого ранения в шею. До сих пор он не может дышать без респиратора и передвигается исключительно в инвалидной коляске. Однако благодаря профессору Джону Донахью, возглавляющему кафедру нейрофизиологии медицинского факультета университета Брауна (США), у него появилась возможность существенно улучшить качество своей жизни. В ходе трехчасовой операции в мозг Нейгла было вживлено несколько электродов, которые располагались над моторными сенсорами коры головного мозга, где как раз и возникают сигналы, контролирующие движение рук. На последнем этапе операции на голове Нейгла было закреплено специальное металлическое устройство, позволявшее чипу передавать информацию на компьютер. Сначала пациент просто учился двигать курсор по экрану компьютера, мысленно представляя, что он пользуется руками, и весьма в этом преуспел. На сегодняшний день он уже умеет включать и выключать телевизор, подсоединенный к компьютеру, двигать роботизированной рукой. Первый эксперимент оказался столь удачным, что весной 2004 года Управление по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами США (Food and Drug Administration — FDA) дало добро на широкое применение BrainGate в медицинской практике. Cyberkinetics уже вложила в проект BrainGate $9 млн., в 2007—2008 годах она собирается вывести готовый продукт на рынок.

Волшебный шлем и печатная машинка

Впрочем, далеко не все пациенты согласны на то, чтобы в их черепную коробку засовывали электроды. В настоящее время ученые разных стран бьются над созданием интерфейса, улавливающего сигналы мозга без непосредственного контакта с ним. По этому пути пошли и российские исследователи из НИИ высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, получившие грант на исследования от отечественной инновационной компании BiNeuro.

«Мы работаем над системой ВСI всего полтора года, но уже добились хороших результатов, — рассказывает Игорь Шевелев. — Разработанное нами оборудование считывает потенциалы мозга через систему электродов, закрепленных на специальном шлеме. Это обычный шлем энцефалографа. Через шлейфы проводов он подключается к мощным усилителям, которые, в свою очередь, передают обработанные сигналы в компьютер. Весь секрет заключен в программном обеспечении, распознающем биопотенциалы мозга и способном подстраиваться во время работы к особенностям мышления того или иного человека. Более совершенное распознавание мысленных образов позволяет не только отдавать компьютеру простейшие команды, но и печатать текст на экране монитора с помощью одной только мысли».

«В основном для испытаний комплекса мы привлекаем студентов, — вступает в беседу ведущий специалист проекта Владимир Конышев. — Раньше пытались приглашать своих сотрудников или специалистов из соседних отделов. Но они оказались ‘слишком умными'. Дело в том, что ученые, садясь в кресло, думают не о мысленном управлении, а о том, как все это работает. В итоге результаты экспериментов смазываются. Студентам же наплевать на все эти железки. Провел сеанс, получил деньги — и гуляй, Вася».

Одним из таких испытателей-студентов как раз и является долговязый третьекурсник Иван. Пока мы разговариваем с руководителями проекта, лаборанты начинают крепить к его голове матерчатый шлем с множеством датчиков. Процедура весьма трудоемкая. При помощи специального шприца кожа в местах соприкосновения электродов с головой смазывается гелем, снижающим сопротивление при прохождении сигналов. Спустя полчаса Ивана, закутанного, словно младенец, в чепец, торжественно водружают в кресло испытателя, и он начинает напряженно всматриваться в монитор. Эксперимент начался! На экране — ровные столбики из букв русского алфавита. Время от времени по ним пробегают вертикальные и горизонтальные зеленые полосы, засвечивающие столбцы или строки. Как только испытатель видит на экране загаданную букву, в его мозгу возникает характерная картина волн, которую и регистрируют датчики. Компьютер обрабатывает полученную информацию и выводит загаданную букву на соседний монитор.

Примерно такую же «мысленную печатающую машинку» в марте этого года представили на CEBIT (выставке высоких технологий, ежегодно проходящей в Ганновере) специалисты из Института Фраунхоффера (Германия). Принцип действия тот же, что и у россиян, но интерфейс немного отличается. Экран монитора разбит на шесть шестиугольных «сот», расположенных по кругу, в каждой из которых содержится группа букв. Человек мысленно подводит стрелку курсора к нужной «соте» и отдает команду «выбор». В этот момент «сота» увеличивается на весь экран, и буквы выстраиваются по кругу, как в обычных механических часах. Вращая между ними стрелку, можно отметить нужный символ. При этом человек мысленно не загадывает букву, как в российском прототипе устройства, а только выбирает ее при помощи более примитивного алгоритма действий. Чтобы перемещать курсор вправо или влево, оператор представляет, что двигает правой или левой рукой.

Каковы же перспективы таких систем? Могут ли они реально конкурировать с обычными способами управления компьютерной техникой посредством кнопок, клавиатуры, джойстиков или мышки? Ученые утверждают, что в будущем это вполне возможно, а в некоторых областях применения подобный интерфейс станет просто незаменим. Между тем, функциональность первых аппаратов пока остается не на высоте: набор слова из четырех букв занимает примерно 2−3 минуты. «Конечно, по сравнению с обычной пишущей машинкой или ноутбуком это показатели не очень хорошие, — вздыхает Игорь Шевелев. — Обычному человеку проще пользоваться давно проверенными устройствами. Но для инвалидов с параличом рук и ног они недоступны. Возможность печатать текст и даже управлять компьютером напрямую через мозг для них может стать настоящим спасением. И две минуты для набора одного слова не покажутся им очень медленными».

Коляска на мысленном управлении

Область применения систем ВСI не ограничивается только набором текста. В недалеком будущем с их помощью можно будет управлять массой механических устройств (инвалидная коляска, примитивные роботы, манипуляторы), интегрированных с компьютером. Реализовать эти возможности не столь уж и сложно. Для передвижения инвалидной коляски требуется всего пять команд: «вперед», «назад», «вправо», «влево» и «стоп». Мысленно ориентироваться в них гораздо проще, чем в трех десятках букв и знаков препинания.

Еще зимой 2003 года швейцарские ученые из Федерального технологического института и испанские специалисты из Центра биомедицинских инженерных исследований в Барселоне приступили к разработке подобной инвалидной коляски. Испытания первых прототипов показали, что научиться управлению данным прибором можно буквально за пару дней. Но в процессе работы инженеры столкнулись с неожиданной трудностью.

«Сейчас достоверность распознавания мысленных команд машиной приближается к 96%, рассказывает Игорь Шевелев. — Однако этот результат не считается достаточно приемлемым. Получается, что каждая тридцатая команда может быть понята компьютером неверно. При наборе текста это не так страшно, а вот при управлении инвалидной коляской любая ошибка может иметь катастрофические последствия. Представьте, что будет, если инвалид, подкатив к краю котлована, отдаст мысленную команду ехать назад, а коляска вдруг рванет вперед, в пропасть. Поэтому использовать коляску для передвижения пока нельзя».

Инженеры стремятся довести вероятность правильного распознавания до 100%. В некоторых экспериментах, проводимых исследовательской группой Игоря Шевелева, подобных результатов достичь уже удавалось. И по всей вероятности, в течение последующих пяти лет «мысленные инвалидные коляски», а также иные аппаратно-програмные комплексы на основе систем ВСI, как иностранного, так и российского производства, появятся в продаже. По прогнозам компании Cyberkinetics, рынок ВСI оценивается примерно в $2 млрд.

Что наша жизнь? Игра!

Принципы мысленного управления электронными устройствами можно применять не только для облегчения жизни инвалидов, но и для обучения и развития детей, а также просто для развлечения.

Весной 2003 года исследователи из шведского Интерактивного института представили вниманию публики игру Mindball, или «Мозгобол», в которую можно играть с помощью мысленных команд. Два человека в «телепатических» банданах сидят за столом, под которым размещены мощные электромагниты, и стараются закатить металлический шар в ворота противника. Система регистрирует альфа- и тета-волны в мозгу игроков. Побеждает тот, кто сумеет лучше расслабиться. Для большей зрелищности электроэнцефалограммы игроков выводятся на большие мониторы. Созданная при институте фирма Interactive Producline уже запустила Mindball в продажу и предлагает ее всем желающим по цене $19 000 за комплект.

Инженеры же из лаборатории «Музыка будущего» Плимутского университета (Великобритания) пошли еще дальше и объявили о том, что с помощью их оборудования можно мысленно писать музыку. Правда, пока оно способно распознавать только самые примитивные мелодии.

«Сейчас технологии компьютерного анализа электрической активности мозга развиваются столь стремительно, что уже в скором времени мы станем свидетелями рождения устройств более сложного характера, способных не только распознавать мысленные команды, но и определять, о чем думает человек в тот или иной момент, — утверждает руководитель Лаборатории высшей нервной деятельности человека ИВНД и НФ РАН Алексей Иваницкий. — Изучается возможность использования электроэнцефалограммы (ЭЭГ) мозга для оценки типа решаемой человеком мыслительной задачи. Такие комплексы могут применяться для контроля за мышлением летчиков или космонавтов во время сложных маневров».

И кто знает, возможно, появление на свет таких устройств ознаменует начало новой эры в науке. Чужая душа перестанет быть потемками, внутренний мир человека превратится в открытую книгу, которую можно будет читать при помощи компьютеров. Ну а человечество приблизится к обладанию телепатией, правда, в усеченном, электро-техногенном варианте.

Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Электроэнцефалография — это методика нейрофизиологического измерения электрической активности мозга путем размещения электродов на коже головы (для лучшей электропроводности на них наносится проводящий гель) или, в особых случаях, прямо в коре головного мозга. Сигналы с электродов (их амплитуда составляет около 100 мкВ на коже головы и 1−2 мВ в коре мозга) усиливаются в 1000−100 000 раз и выводятся на экран или подаются на вход компьютера, после чего обрабатываются по специальным алгоритмам.

Получаемую запись называют электроэнцефалограммой, отражающей электрические сигналы от большого количества нейронов. Иногда это излучение называют «волнами мозга». ЭЭГ не является инвазивной и не оказывает влияния на организм, поэтому часто используется в экспериментальной науке. Для записи мозговой активности пациенту не требуется принимать какие-либо решения или совершать осознанные действия, так что эта методика способна фиксировать скрытую реакцию на какое-либо раздражение, например на чтение. С помощью ЭЭГ исследуют эпилепсию, обмороки, нарушения сна (теории сна зачастую основаны на энцефалограммах, записанных во время сеансов сна), кому, слабоумие. В законодательстве некоторых стран эта методика имеет юридическую силу и служит формальным критерием при диагностике смерти мозга.

ЭЭГ не всесильно и имеет свои ограничения. Размещенные на коже головы электроды недостаточно чувствительны для выявления потенциалов действия, импульсов отдельных нейронов мозга. ЭЭГ всего лишь фиксирует синхронизированную деятельность нейронов, которая выдает суммарно несравненно большие электрические напряжения, чем срабатывание одного отдельного нейрона. Кроме того, ЭЭГ не способна локализовать область электрической активности мозга (для этого используется функциональная магниторезонансная томография и топографическая ЭЭГ).

Частотно-временное разрешение этого метода весьма высоко. Если в других методах исследования мозговой активности временной масштаб лежит в диапазоне секунд или даже минут, то ЭЭГ способна реагировать на миллисекундные изменения. Считается, что работа мозга выражается в его электрической активности, и ЭЭГ — единственный метод, непосредственно измеряющий этот параметр. Другие методы, применяемые для исследования функций мозга, основываются на циркуляции крови и метаболизме, который не связан с электрической активностью непосредственно. В новых исследованиях обычно объединяют ЭЭГ или МЭГ (магнитоэнцефалографию) с МРТ (магниторезонансной томографией) или ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографией), получая таким образом высокое временное разрешение и относительно точную пространственную локализацию.

Мозговые волны

Исторически принято выделять четыре основных типа ритмических синусоидальных волн ЭЭГ — альфа, бета, дельта и тета (есть и другие).

Альфа, или волны Бергера (8−12 Гц) характерны для расслабленного состояния и состояния бдительного внимания. Наблюдается начиная с двухлетнего возраста. Альфа-ритмы легче фиксировать при закрытых глазах, поскольку при сонливости и открытых глазах они слабеют. Четче всего альфа-ритм наблюдается на затылочной коре.

Бета (выше 12 Гц) — низкоамплитудные волны на нескольких изменяющихся частотах часто связывают с активным мышлением и концентрацией. Ритмическая бета-волна с одним доминирующим набором частот встречается у людей с различными патологиями и под воздействием наркотиков.

Гамма (26−80 Гц) задействованы при высшей нервной деятельности, включая восприятие, решение задач, чувство страха и самоанализ.

Дельта (до 4 Гц) часто ассоциируется с начальными стадиями энцефалопатии и связанными с ней поражениями. Они также наблюдаются в глубоких стадиях сна.

Сенсомоторный ритм (12−16 Гц) связан с физическим покоем и ощущением собственного тела.

Тета (4−8 Гц) характерны для детей и подростков, а также для взрослых в состоянии дремоты. Волны этой частоты иногда вызываются гипервентиляцией. Тета-волны наблюдаются во время измененных состояний сознания (транс, гипноз, глубокий дневной сон, полудрема, переходные состояния перед пробуждением и перед засыпанием).

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№46, август 2006).

Комментарии

2 комментария