Как и зачем читают наши мысли?
Читать мысли — идея фантастическая, но осуществимая. Как глубоко ученым удалось проникнуть в человеческий мозг? И чем эта опция может быть полезна для науки и медицины? Рассказывает гость программы «Вопрос науки» — профессор «Сколтеха» и Сеченовского университета, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов ВШЭ Михаил Альбертович Лебедев.
Что такое мысль и как ее прочесть?
В экспериментальных условиях, в которых мы работаем, такую единицу, как одна мысль, можно выделить. Например, можно поставить задачу испытуемому: выбрать по какому-то признаку правую либо левую картинку. Человек некоторое время думает, колеблется и, наконец, принимает решение — в этот момент его мысль выражается, и мы можем посмотреть, что же происходит в это время в мозге.
Экспериментальные условия, как правило, выглядят так: есть стимул и есть ответ. А между ними есть некое правило, которое мозг использует для перевода стимула в ответ. Именно та деятельность мозга, которая переводит этот стимул в ответ, и является мыслью. Она, конечно, развивается: сначала нужно понять, что вам показали, какой стимул, потом вспомнить правило, которое нужно приложить, и, наконец, выработать ответ. Стимул, решение и ответ — это в какой-то мере предложение, потому что стимул — это некоторым образом подлежащее, правила — это некие прилагательные, а уже глагол — это само решение (например, открыть окно).
Нейроинтерфейс — это устройство, которое читает мысли из активности мозга. Для его работы необходимо, чтобы мы могли записывать активность мозга и чтобы мыслей было не очень много, иначе мы не сможем определить, какие мысли считывать.
Не исключено, что в будущем мы сможем читать произвольные мысли. Сейчас нам это сложно, но если мы разберемся в анализе механизмов мозга дальше, то, в принципе, произвольные мысли мы тоже сможем читать, поскольку есть надежда, что мы сможем выделять отдельные компоненты, потом классифицировать их как относящиеся к некому разряду мыслей и затем восстанавливать всю цепочку мыслительной деятельности.
Сейчас программы, которые распознают речь, работают идеально. Так почему бы нам не распознавать активность мозга точно так же, как мы распознаем речь? Но тут имеется проблема: когда мы слушаем звук и воспринимаем речь, здесь заведомо что-то закодировано. Если вы посмотрите на график речи, звукового сигнала, то вы ничего не сможете определить, а послушаете — сразу определите. Почему? Потому что вы знаете код, понимаете, как декодировать. С активностью мозга все сложнее, потому что она заведомо что-то кодирует, но мы просто не знаем, каким образом она кодирует.
В коде, который позволит расшифровать активность мозга, несомненно, есть что-то общее, потому что иначе, если бы все было совсем индивидуально, мы бы не смогли понимать друг друга. Проблема в том, что мы пока еще слабо понимаем, что это и как работает. Это не энцефалограмма, хоть она похожа на запись звука при речи, это нечто другое. Пока для нас это в основном шум, который мы не умеем декодировать.
Хотя мы плохо понимаем, как работает мозг, это не мешает нам заявлять, что мы уже можем считывать мысли, и это считывание основано на корреляции. Корреляция, как известно, не означает причинно-следственную связь, поэтому любую корреляцию, какую возможно уловить, мы используем в таких интерфейсах.
О чем думают свинья и обезьяна?
У животных тоже есть мысли. Вероятно, вы слышали о недавних экспериментах Илона Маска? Он имплантировал в мозг свиньи около тысячи электродов для того, чтобы считать ее мысли. Для вживления он использовал специального робота, который работал как швейная машинка и буквально прошил мозг животного. Для понимания эксперимента надо хоть немного знать о строении мозга свиньи. В мозге находятся разные области, представляющие разные отделы тела. Это, кстати, было известно и до Илона Маска. Так вот, мозг свиньи примерно на 70% представляет пятачок, поэтому, естественно, она думает о том, что воспринимает ее пятачок. У Илона Маска более амбициозная задача: он хочет в конце концов повторить опыт на людях и научиться считывать мысли человека.
Я отношусь к этому плану положительно, поскольку сам занимался подобным долгие годы: работал над интерфейсами «мозг — компьютер» или «мозг — машина». Идея состоит в том, что мы имплантируем в мозг много электродов (и чем больше, тем лучше), записываем многоканальную активность, декодируем ее и направляем к внешнему устройству, например к механической руке, которая движется по велению вашей мысли. У механической руки могут быть сенсоры. Например, она ощупывает различные предметы, и эти ощущения механической руки передаются в мозг, в сенсорные области мозга, и вызывают тактильные ощущения. Эта программа хорошо работает.
Еще в 1970-е годы в Советском Союзе думали о развитии биоэлектрических протезов и был создан миоэлектрический протез руки. Виктор Семенович Гурфинкель с коллегами Цетлиным и Гельфандом создали протез, который управлялся электрической активностью мышц, и человек с ампутацией мог пользоваться таким протезом.
Я долгое время работал с обезьянами. В наших экспериментах у обезьян была конечная цель — получить апельсиновый сок. Но ради этого нужно было потрудиться. Обезьяна сидела с джойстиком напротив экрана и играла в увлекательную игру, где ей нужно было двигать джойстиком и поражать мишени. Она прекрасно с этим справлялась. При этом мы записывали электрическую активность мозга, декодировали ее, и затем обезьяна могла уже, не пользуясь джойстиком, направлять этот курсор в разные области экрана. Нам помогло то, что мы сумели имплантировать электроды в разные области мозга обезьяны, представляющие руки, ноги, глаза, более ответственные за мыслительную деятельность. И таким образом мы считывали довольно подробно мысли — моторные интенции обезьяны. Кстати, я думаю, что и людям это было бы полезно. Скажем, мы приходим в ресторан и получаем еду просто так...
Обезьяны, как и мы, думают о направлении движения. И вот оказывается, что направление движения очень легко считывать из-за активности нейронов. Если вы вставите электрод в компьютер, вы никогда не поймете, как он работает. А если вставить электрод, грубо говоря, в мозг обезьяны, то оказывается, что нейроны разряжаются, кодируя направление. Например, если обезьяна двигает рукой в каком-нибудь направлении, то этот нейрон будет очень активен, а если в другом, то менее активен. Как раз по активности нейрона мы можем декодировать направление.
На самом деле мы далеко продвинулись в изучении мозга: в изучении его отдельных сетей, свойств нейронов, каналов, которые имеются у нейронов. Так что сказать, что мы прямо-таки ничего не знаем, будет неверно. Но по мере накопления знаний нам нужно знать все больше и больше, и это похоже на некое бесконечное приближение.
Глухие услышат, слепые прозреют, лежачие пойдут
Я думаю, что до того, как мы научимся декодировать, мы продвинемся очень значительно в интерфейсах, которые посылают информацию в мозг. Такого рода устройства стимулируют мозг и вызывают ощущения, а может быть, даже мысли. Скажем, множество людей страдают от того, что они лишены каких-то чувств, например слуха. И в протезировании слуха мы продвинулись очень далеко: кохлеарные имплантаты получили сотни тысяч людей по всему миру и с помощью них снова слышат. Следующая задача более сложная: это восстановление зрения для слепых. Я думаю, в ближайшие пять-десять лет произойдет значительное продвижение: слепые люди увидят вновь.
В этом нам помогает пластичность мозга. Мы вставляем электрод, стимулируем, а для мозга это совершенно необычный сигнал, ведь в норме он получает гораздо более деликатные сигналы. Но если мы стимулируем и мозг подумает, что же мы от него хотим, он постепенно пластически настроится на понимание этого сигнала и в результате человек обретет новые ощущения.
Пока считывать совершенно произвольную мысль сложно, но какие-то определенные простые мысли — гораздо проще. И это очень практично в отношении больных с поражениями мозга. Скажем, у человека инсульт, он не может двинуть рукой. У него в мозге возникает слабое желание пошевелить рукой, но он не может этого сделать. А с помощью интерфейса мы можем усилить это желание. То есть, во-первых, мы можем записывать активность мозга и улавливать сигналы, связанные с желанием произвести движение рукой, а потом мы можем направить эти сигналы на экзоскелет, который прикреплен к руке, и мы воспроизводим все компоненты произвольного движения: сначала активность мозга, затем ее реализацию в виде движения. Таким образом человек с инсультом получает возможность тренировать себя и постепенно нормализоваться. Уже сейчас это становится частью нейрореабилитации таких больных.
Пока в это вкладываются недостаточно большие деньги, но постепенно приходит осознание, что именно в этом направлении нужно двигаться. Тем более что заболевания мозга становятся все большей и большей проблемой, поскольку продолжительность жизни человека растет, а мозг стареет, возникают нейродегенеративные заболевания, которые приводят к таким проблемам, как болезнь Паркинсона или деменция, и нужно как-то с ними бороться. И здесь на помощь приходят нейроинтерфейсы.
Не только импульс к движению, но и такие абстрактные мысли, как «Мне не очень нравится этот человек», тоже можно прочесть в экспериментальной ситуации, когда вам показывают картинки на экране и смотрят, как ваш мозг реагирует. Но здесь возникают этические моменты, потому что вдруг вы бы хотели скрыть, что вам какой-то человек не нравится? А когда вам показали картинки на экране, записали активность мозга, то эту вашу мысль уже не утаить: «Ага, вам не нравятся определенного рода люди, берем это на заметку!» Такое устройство возможно. Оно будет аналогом детектора лжи, но более продвинутым, основанном на более детальном анализе активности мозга.
Мы всегда старались быть пионерами в исследованиях, и во многих случаях то, что мы делали, было впервые. Например, мы создали механическую руку, которую обезьяна контролировала, и эта рука выполняла схватывающие движения: дотянуться и схватить. Затем мы придали механической руке чувствительность: она трогала внешние предметы, мы стимулировали мозг, и обезьяна осязала эти предметы. Затем мы сказали: «Ну, с рукой мы достаточно поработали, попробуем декодировать ходьбу». Декодировали ходьбу, что, кстати, повторил Илон Маск на свинье, но мы сделали это на обезьяне. Потом мы сказали: «Ну хорошо, а можно ли восстановить некие пространственные кодирования мозга?» И мы провели эксперимент, в котором обезьяна ездила по комнате на тележке и направляла свои движения сигналами мозга.
Что будет дальше? Считается, что совершенно непреодолимая задача — это лечение людей с травмами спинного мозга: если рассечен спинной мозг, то он не прорастает снова. Именно на эту проблему направлены наши усилия в данный момент. Пока мы делаем первые шаги в этой области: записываем активность мозга и направляем ее на стимулятор спинного мозга, который помогает тем волокнам, которые еще не порваны, стать функциональными. И действительно, мы видим хорошие результаты. Но в идеале, когда уже многие дисциплины здесь сойдутся, возможно, мы добьемся того, что спинной мозг регенерирует и такие люди вновь смогут ходить.
