Neuralink Ілона Маска. Частина четверта: нейрокомпьютерные інтерфейси

Ексцентричний в хорошому сенсі цього слова підприємець, плейбой, філантроп Ілон Маск відомий всьому світу. Це він вирішив вивести людство в космос, колонізувати Марс, відмовитися від одноразових ракет. Це він вирішив зробити світ чистішим, пересадивши нас з автомобілів з ДВС на самокеровані автомобілі. Поки розгортаються ці підприємства, він не сидить склавши руки. Він задумав Neuralink, який допоможе нам стати новими людьми. Без кордонів і без слабкостей, як і належить в новому світі (Ілона Маска). Документувати божевільні ідеї Маска, як і завжди, зголосився Тім Урбан з WaitButWhy (він писав про штучний інтелект, колонізацію Марса і SpaceX). Представляємо одне з кращих творів сучасної науково-популярної журналістики. Далі від першої особи.

В 1969 році вчений по імені Еберхард Фетц з'єднав один нейрон мозку мавпи з циферблатом перед її обличчям. Стрілки повинні були рухатися, коли нейрон активувався. Коли мавпа думала так, що активувався нейрон і стрілки зміщувалися, вона отримувала цукерку зі смаком банана. З часом мавпа почала вдосконалюватися в цій грі, тому що хотіла більше смачних цукерок. Мавпа навчилася активувати окремий нейрон і стала першим персонажем, який отримав нейрокомпьютерный інтерфейс.

протягом наступних кількох десятиліть прогрес був досить повільним, але до середини 90-х років ситуація почала змінюватися і з тих пір все розганяється.

Оскільки наше розуміння мозку і електродного обладнання досить примітивні, наші зусилля, як правило, спрямовані на створення простих інтерфейсів, які будуть використовуватися в тих областях головного мозку, які ми розуміємо краще всього, таких як моторна кора і візуальна кора головного мозку.

І оскільки людські експерименти можливі тільки для людей, які намагаються використовувати МКІ для полегшення своїх страждань, і тому що попит ринку зосереджений саме на цьому — наші зусилля майже повністю були присвячені відновленню втрачених функцій для людей з обмеженими можливостями.

Найбільші галузі МКІ майбутнього, які забезпечать людей чарівними надздібностями і перетворюють світ, зараз знаходяться в зародковому стані — і нам доводиться керуватися ними, а також своїми здогадками, розмірковуючи про те, яким може бути світ в 2040, 2060 або 2100 році.

Давайте пройдемося по них.

Це комп'ютер, створений Аланом Тюрінгом в 1950 році. Він називається Pilot ACE. Шедевр свого часу.

Тепер подивіться на це:

Коли ви будете читати приклади нижче, я хочу, щоб ви тримали перед очима таку аналогію —

Pilot ACE є iPhone 7 тим же,

кожен приклад МКІ нижче є ______________

— і спробуйте уявити, що повинно бути на місці прочерку. До нього ми повернемося пізніше.

У будь-якому випадку з усього, що я читав і обговорював з людьми в цій області, в даний час в розробці знаходиться три великі категорії нейрокомп'ютерних інтерфейсів:

Перші МКІ типу #1: використання моторної кори в якості дистанційного керування

Якщо ви забули, моторна кора — це ось цей хлопчина:

Багато області мозку для нас незрозумілі, але моторна кора незрозуміла для нас менше, ніж інші. І що більш важливо, вона добре картирована, окремі її частини контролюють окремі ділянки тіла.

Що важливо, це одна з великих ділянок мозку, яка відповідає за нашу роботу. Коли людина щось робить, моторна кора майже напевно тягне за ниточки (у всякому разі фізичного боку дії). Тому людського мозку не потрібно вчитися використовувати моторну кору в якості дистанційного керування, тому що мозок вже використовує її в такій якості.

Підніміть свою руку. Тепер опустіть. Бачите? Ваша рука схожа на маленький іграшковий безпілотник, і ваш мозок просто використовує моторну кору як пульт дистанційного управління, щоб дрон злетів і повернувся назад.

Мета МКІ на основі моторної кори полягає в тому, щоб підключитися до неї, а потім, коли пульт дистанційного керування викличе команду, почути цю команду і відправити її на який-небудь апарат, який зможе на неї відповісти. Наприклад, на руку. Пучок нервів — посередник між вашою корою і вашою рукою. МКІ — посередник між вашою моторною корою і комп'ютером. Все просто.

Один з інтерфейсів такого типу дозволяє людині — зазвичай людині, паралізованому від шиї або з ампутованою кінцівкою, — переміщати курсор на екрані силою думки.

Все починається з 100-контактної многоэлектродной матриці, яка імплантується в моторну кору людини. Моторна кора у паралізованої людини працює чудово — просто спинний мозок, який служив посередником між корою і тілом, припинив працювати. Таким чином, з імплантованій електродної матрицею дослідники дали можливість людині рухати рукою в різних напрямках. Навіть якщо він не може цього зробити, моторна кора функціонує нормально, як якщо б він міг.

Коли хтось рухає рукою, його моторна кора вибухає активністю — але кожен нейрон зазвичай цікавиться тільки одним типом руху. Тому один нейрон може спрацьовувати всякий раз, коли людина рухає своєю рукою вправо, але буде нудьгувати при русі в інших напрямках. Тоді тільки по одному цьому нейрону можна було б визначити, коли людина хоче пересунути свою руку вправо, а коли ні. Але з електродної матрицеюз 100 електродів кожен з них буде слухати окремий нейрон. Тому під час випробувань, коли людину просять пересунути руку вправо, наприклад, 38 з 100 нейронів фіксує активність нейронів. Коли людина хоче пересунути руку вліво, активується 41 іншого. У процесі відпрацювання рухів в різних напрямках і з різною швидкістю, комп'ютер отримує дані з електродів і синтезує їх у загальне розуміння картини активації нейронів, що відповідає намірам рухатися по осях X-Y.

Потім, коли вони виводять ці дані на екран комп'ютера, людина може силою думки, «намагаючись» рухати курсор, дійсно контролювати курсор. І це працює. За допомогою МКІ, пов'язаних з моторною корою, компанія BrainGate дозволила хлопчикові грати в відеогру за допомогою однієї тільки сили думки.

І якщо 100 нейронів можуть сказати вам, куди вони хочуть пересунути курсор, чому вони не можуть сказати вам, коли вони хочуть підняти чашку кави і зробити ковток? Ось що зробила ця паралізована жінка:

Інша паралізована жінка зуміла політати на симуляторі винищувача F-35, а мавпа нещодавно за допомогою мозку проїхала в інвалідному кріслі.

І чому обмежуватися одними руками? Бразильський піонер МКІ Мігель Николелис і його команда побудували цілий екзоскелет, який дозволив паралізованому людині зробити відкриває удар на World Cup.

Відступ на тему пропріоцепції

Рух усіх цих «нейропротезов» практично цілком залежить від запису нейронів, але щоб ці пристрої були дійсно ефективними, вона не повинна бути однобічною, а швидше петлею, зв'язуючої доріжки запису і стимулювання. Ми рідко про це замислюємося, але більша частина вашої здатності піднімати речі зобов'язана входить сенсорної інформації, яку шкіра ваших рук відправляє в мозок (називається «проприоцепция»). Онемевшими пальцями дуже важко запалити сірник, навіть якщо ви повністю здорові. Тому, щоб біонічні кінцівки добре працювали, вони повинні приймати і сенсорну інформацію.

Стимулювання нейронів складніше їх зчитування. Як каже дослідник Фліп Сабес:

«Якщо я запишу схему активності, це не означає, що я зможу легко відтворити цю схему активності, просто програвши її навпаки. Але якщо ви переплутаєте, а потім заходите відтворити первісний рух однієї з планет, не можна просто взяти і повернути її на орбіту, тому що на неї будуть впливати всі інші планети. Аналогічно, нейрони не працюють ізольовано, тому існує фундаментальна незворотність. Крім того, з усіма аксонами і дендритами важко просто стимулювати нейрони, які вам потрібно, тому що вони дуже тісно пов'язані».

Лабораторія Фліпа намагається вирішити ці питання за допомогою мозку. Виявляється, якщо винагороджувати мавпу соковитим ковтком апельсинового соку, коли спрацьовує один нейрон, з часом мавпа навчиться активувати нейрон на вимогу. Нейрон буде виступати в деякому роді пультом ДУ. Отже, звичайні команди моторної кори — лише один з можливих механізмів управління. Аналогічно, поки технології МКІ не стануть досить гарні для ідеальної стимуляції, можна використовувати нейропластичність мозку для обходу. Якщо буде занадто складно зробити так, щоб кінчик біонічного пальця стосувався чого-небудь і відправляв назад інформацію, яка буде схожа на відчуття дотику власного пальця людини, кисть руки може відправляти яку-небудь іншу інформацію в мозок. Спочатку це буде здаватися дивним для пацієнта — але в кінцевому підсумку мозок навчиться розцінювати цей сигнал як нове відчуття дотику. Ця концепція називається «сенсорна субституция (заміна)», і в ній мозок сприяє створенню МКІ.

У цих розробках є насіння інших майбутніх революційних технологій — начебто інтерфейсів «мозок — мозок».

Николелис провів експеримент, в якому моторна кора одного щура в Бразилії, нажимавшей один з двох важелів в клітці — один з яких, про що знала щур, принесе їй задоволення — була пов'язана через Інтернет з моторною корою інший щури в США. Щур в США була в подібній клітці, за винятком того, що, на відміну від щурів в Бразилії, у неї не було інформації про те, який з її двох важелів принесе їй задоволення — крім сигналів, які вона отримує від бразильської щури. В ході експерименту, якщо американська щур правильно вибирала важіль, той самий, який тягне щур в Бразилії, обидві щури отримували нагороду. Якщо тягнули невірний, не отримували. Цікаво те, що з плином часу щури ставали все краще і краще працювали разом, немов одна нервова система — хоча й гадки не мали про існування один одного. Успіх американської щури без інформації становив 50%. З сигналами, які надходять від мозку бразильської щури, успіх виріс до 64%. Ось відео.

Почасти це спрацювало і на людях. Дві людини в різних будівлях працювали спільно, граючи в відеогру. Один бачив гру, інший тримав контролер. Використовуючи прості гарнітури ЕЕГ, гравець, який бачив гру, міг, не рухаючи руками, подумати про рух своєю рукою, щоб «вистрілити» на контролері — і оскільки їх мізки повідомлялися між собою, гравець з контролером відчував сигнал в пальці і натискавкнопку.

Перші МКІ типу #2: штучні вуха і очі

Є кілька причин, за якими давати зір сліпим і звук глухим — серед найбільш доступних категорій нейрокомп'ютерних інтерфейсів.

По-перше, подібно моторній корі, сенсорні частини кори — це частини мозку, які ми розуміємо досить добре, почасти тому, що вони мають тенденцію добре картироваться.

По-друге, серед багатьох перших підходів нам не потрібно було мати справи з мозком — можна було взаємодіяти з тими місцями, де вуха і очі з'єднуються з мозком, тому що саме там найчастіше зустрічалися порушення.

у той час як діяльність моторної кори головного мозку полягала головним чином у зчитуванні нейронів для витягання інформації з мозку, штучні органи почуттів працюють по-іншому — стимулюючи нейрони для надсилання інформації всередину.

За останні десятиліття ми спостерігали неймовірне розвиток кохлеарних імплантатів.

Відступ на тему того, як працює слух

Коли ви думаєте, що «чуєте звук, відбувається наступне:

Те, що ми представляємо як звук, це моделі коливань молекул повітря навколо голови. Коли гітарна струна, голосові зв'язки або вітер виробляють звук, він народжується внаслідок вібрацій, які штовхають найближчі молекули повітря, і вони розширюються як куля, подібно до того як поверхня води розширюється назовні в місці, де падає камінь.

Ваше вухо — це машина, яка перетворює ці вібрації в електричні імпульси. Всякий раз, коли повітря (або вода, або будь-яка інша середовище, молекули якої можуть вібрувати) входить у вухо, ваше вухо переводить точну картину вібрації в електричний код, який потім надсилається в нервові закінчення. Нерви запускають потенціали дії, які посилають код в слухову кору для обробки. Ваш мозок отримує інформацію, і ми називаємо процес отримання цього конкретного типу інформації «слухом».

Більшість глухих або слабочуючих людей не мають проблем з нервами або слуховий корою — у них зазвичай виникають проблеми з вухом. Їх мозок так само готовий, як і будь-який інший, перетворювати електричні імпульси в слух — просто їх слухова кора не отримує ніяких електричних імпульсів, тому що машина, яка перетворює вібрації повітря в ці імпульси, не виконує свою роботу.

Вухо має багато частин, але саме равлик, зокрема, здійснює важливе перетворення. Коли вібрації потрапляють в рідину в равлику, тисячі тонких волосків, що вистилають її, вібрують, а клітини, які прикріплені до цим волоскам, перетворюють механічну енергію коливань в електричні сигнали, які потім збуджують слуховий нерв. Ось як це виглядає:

Равлик також сортує вхідний звук по частоті. Ось крута діаграма, що показує, чому низькі звуки обробляються в кінці равлики, а високі — на початку (а також чому вухо може чути звук певної максимальної і мінімальної частотах):

Кохлеарний імплантат — це маленький комп'ютер, у якого на одному кінці мікрофон (який сидить на вусі), а на іншому провід, який з'єднується з масивом електродів, що вистилають равлика.

Звук надходить в мікрофон (маленький гачок у верхній частині вуха) і входить в коричневу штуку, яка обробляє звук, щоб відфільтрувати менш корисні частоти. Потім коричнева штука передає інформацію через шкіру, через електричну індукцію, в інший компонент, який перетворює інформацію в електричні імпульси і посилає її в равлика. Електроди фільтрують імпульси по частоті, як равлик, і стимулюють слуховий нерв, як волоски в равлику. Ось так це виглядає зовні:

Іншими словами, штучне вухо виконує таку ж функцію перетворення звуку в імпульси і передачі в слуховий нерв, як і звичайне вухо.

Але це не ідеально. Чому? Тому що для того, щоб надіслати звук в мозок з такою ж якістю, як і звичайне вухо, потрібно 3500 електродів. Більшість кохлеарних імплантатів містить всього 16. Грубувато.

Але ми адже в епоху Pilot ACE — звичайно, грубувато.

Тим не менш сьогоднішній кохлеарний імплантат дозволяє людям чути мову і розмовляти, а це вже непогано.

Багато батьки глухих дітей ставлять їм кохлеарні імплантати в однорічному віці.

У світі сліпоти відбувається аналогічна революція у вигляді імплантату сітківки.

Сліпота часто є результатом захворювання сітківки. У цьому випадку імплантат може виконувати таку функцію для зору, як кохлеарний імплантат для слуху (хоч і не так прямо). Він робить те ж, що і звичайний очей, передаючи інформацію нервах у формі електричних імпульсів, як це роблять очі.

Більш складний інтерфейс, ніж кохлеарний імплантат, перший імплантат сітківки був схвалений FDA в 2011 році — ним став імплантат Argus II, виготовлений Second Sight. Імплантат сітківки виглядає так:

І працює так:

Імплантат сітківки має 60 сенсорів. У сітківці близько мільйона нейронів. Грубувато. Але бачити розмиті кромки, форми, гри світла і темряви значно краще, ніж не бачити взагалі нічого. Що особливо цікаво, для досягнення хорошого зору зовсім не потрібен мільйон сенсорів — моделювання дозволило припустити, що 600-1000 електродів буде достатньо для розпізнавання осіб і читання.

Перші МКІ типу #3: глибока стимуляція головного мозку

Починаючи з кінця 1980-х років,глибока стимуляція мозку стала ще одним грубим інструментом, який так само змінює життя для багатьох людей.

Також це категорія МКІ, які не пов'язані із зовнішнім світом — це використання нейрокомп'ютерних інтерфейсів для лікування або поліпшення самого себе, змінюючи щось всередині.

Те, що відбувається тут, — це один або два електродних дроту, зазвичай з чотирма окремими електродними ділянками, які вводяться в мозок і часто виявляються де-то в лімбічній системі. Потім у верхню частину грудної клітки імплантують невеликий електрокардіостимулятор і підключають до електродів. Ось так:

Потім електроди можуть видавати невеликий заряд за необхідності, що корисно для багатьох важливих штук. Наприклад:

• зменшення тремору у людей з хворобою Паркінсона
• зменшення тяжкості нападів
• зменшення обсесивно-компульсивного розлади

У рамках експериментів (тобто поки без схвалення FDA) вченим вдалося пом'якшити певні види хронічної болю, начебто мігрені або фантомного болю в кінцівках, вилікувати занепокоєння або депресії при ПТСР, або в поєднанні з м'язовою стимуляцією відновити порушені певні схеми роботи мозку, які зламалися після інсульту або неврологічного захворювання.

* * *

Ось у такому стані знаходиться поки ще слабо розвинена область МКІ. І в цей момент у неї входить Ілон Маск. Для нього і для Neuralink, сучасна МКІ-індустрія — це точка А. Поки ми вивчали минуле протягом всіх цих статей, щоб підібратися до теперішнього моменту. Тепер прийшов час заглянути в майбутнє — щоб з'ясувати, що таке точка Б і як нам до неї дістатися.

Продовження слід.