В режиме Люка Скайуокера

Вы, конечно же, не раз видели загадочные новости о том, что «учёные из института N создали протез, управляемый силой мысли». Мы решили выяснить, как это работает, и отправили нашего корреспондента в лабораторию нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Там девушке лили на голову холодный гель и заставляли считать лампочки на пальцах.

Я смотрю на экран компьютера, где на чёрном фоне мигают геометрические фигурки разных цветов: красный квадрат, зелёный треугольник, жёлтый круг… Если сконцентрировать внимание на одной из них и ждать, когда она снова появится на экране, мы получим разницу зрительных вызванных потенциалов. То есть станет понятно, какая фигурка была для нашего мозга более значимой.

Всем нам знакомая энцефалограмма хороша тем, что позволяет заглянуть в мозг, не вскрывая череп лишний раз. Она появилась в начале XX века (хотя сам термин возник позднее) и успешно используется до сих пор. Только раньше людям для прохождения этой процедуры втыкали под кожу головы игольчатые электроды, а теперь надевают специальную шапочку и подключают к ней датчики. Удобно. С помощью энцефалограммы считывается «шум мозга», которой даёт понять, что мозгу значимо, а что нет.

Теперь вместо фигур на экране появляются графики, где красной линией показан уровень внимания к объекту, на котором я фокусировалась, а синей — к предметам, которые я игнорировала. Красные холмики в определённых местах заметно выше синих. Компьютер всё правильно понял.

От жуков-роботов к 3D-рукам

Астрофотография, колебательные химические реакции, высоковольтная техника, роботы-жуки… Аспирант биофака МГУ Даниил Кирьянов говорит о своих увлечениях так, будто они типичны для всех двадцатипятилетних.

— Будучи студентом МГТУ имени Баумана, я прослушал в московском центре Digital October очень интересную лекцию американского электронщика Мишеля Махарбиза из Беркли о том, как они попытались создать жуков-киборгов, — рассказывает Даниил. — Для опытов использовались личинки крупных тропических бронзовок — насекомых с полным циклом превращения. В момент формирования из личинки взрослого насекомого, в жуков внедряли электроды, которые плотно врастают в хитин и не отторгаются телом. Дальше учёные подпаивали к электродам плату с микроконтроллером и программировали микросхему так, чтобы она в определённом порядке посылала импульсы на электроды. Сигнал доходил до нервных центров жука. Пошёл импульс — и жук помимо своей «воли» переходит в режим полёта. Даже если он закреплён, всё равно пытается махать крыльями. Пошёл другой импульс — он садится.

— А как жуки понимают, что сейчас им нужно лететь, а потом сесть?

— Группа Махарбиза случайно обнаружила, что определённая последовательность импульсов заставляет жука переключать режимы. Заданный набор сигналов, скорее всего, был похож на естественную комбинацию импульсов, при которых жук меняет «режим» действия. Махарбиз с коллегами сумели найти этот «переключатель». Сигналы были достаточно примитивными, но это сработало.

Даниил решил провести подобный опыт самостоятельно. Насекомое подходило не всякое, а непременно с полным циклом превращения — в частности, крупные жуки. Например, бронзовка. Ее относительно легко разводить, она неприхотлива, взрослое насекомое вырастает из личинки за полгода. Бронзовок Даниил добывал в Киеве на ферме Bug Design. Сейчас по понятным причинам связь с фермой прекратилась, и аспирант остался без материала для экспериментов.

— В России бронзовок трудно достать: у нас они не живут, климат слишком холодный, — сетует Даниил. — Первые опыты с бронзовками у меня не получились: взрослые особи погибли, но, правда, вышло с кузнечиками —  в них мне удалось внедрить электроды. Однако проблема в том, что кузнечики — животные без полного цикла превращения, и поэтому, как бы сказать, недолговечные, повреждение хитина их убивает. Пытался подавать им сигналы — да, они делали примерно то, что ожидалось. Но это была скорее забава. Поэтому эксперименты с жуками я прекратил и переключился на нейроинтерфейсы.

Даниил окончил Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. Потом он хотел продолжить заниматься наукой, но не знал где.

— Так получилось, что я попал на открытый семинар по темпорологии (междисциплинарное научное направление, посвящённое изучению времени и смене временных периодов. — КШ), где помимо прочих выступлений слушал доклад Александра Каплана — заведующего лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов МГУ. Он рассказывал, как мы можем заставить человека управлять прямо от мозга, к примеру, игрушечной машинкой. Меня это поразило.

Даниил стал аспирантом МГУ. Получил в лаборатории Каплана грант на два года и теперь занимается изучением вызванных потенциалов — реакций мозга на внешний раздражитель или на выполнение какой-либо умственной задачи. В общем, сейчас он делает с человеческим мозгом почти то же самое, что некогда с кузнечиками.

Выиграть у Сенатора

Белая рука в чёрном рукаве, от края которого к кончикам механических пальцев тянутся провода. Даниил смоделировал её на компьютере и напечатал на 3D-принтере. Это прототип тренажёра на основе нейрокомпьютерного интерфейса. Он предназначен для восстановления тонких движений у пациентов, перенёсших инсульт.

На кончике каждого пальца руки-тренажёра по очереди мигают лампочки. Если я зафиксирую внимание на одной из них, вызванный потенциал будет отличаться от остальных. Подтверждение этому можно увидеть на энцефалограмме затылочной области. Я смотрю на одну из лампочек и считаю мигания — всего их десять. Через некоторое время программа догадывается, что я смотрю именно на мизинец, и сгибает его.

— Минус нашей системы в том, что за один раз можно инициировать движение лишь одного пальца. Ведь работа ведётся через энцефалограмму, которая сначала должна обработать шум от электродов, чтобы сделать определённое движение, — говорит Даниил.

Аспирант включает механическую руку, и она раздражённо жужжит, как будто разбуженная, но потом замолкает. Даниил смотрит на лист бумаги. На нём два столбика с названиями электродов, но под одним зачем-то нарисована голова Дарта Вейдера, а под другим — сенатора Палпатина, ещё одного не очень дружелюбного персонажа «Звёздных войн».

— Так мы в шутку обозначили режимы работы руки, — поясняет мне студентка Дарья Жигульская. — Дарт Вейдер — это тёмная сторона, то есть стимуляция отсутствием света. Сенатор — это электростимуляция, потому что он убивал ударом молний из рук. Люк Скайуокер — светлая сторона, потому что лампочки загораются. А виброрежим — это мастер Йода: вибрирующие моторчики напомнили мне бегающих карликов, которые хоть и маленькие, но могущественные.

Программу надо каждый раз обучать заново на реальном человеке. Перед тем как испытуемый начнёт гнуть пальцы 3D-робота силой мозга, он должен несколько минут сидеть и отсчитывать про себя по десять миганий на каждом пальце в той очерёдности, в какой ему предлагает программа. Полученные данные обрабатываются на компьютере, и после рука готова снова сыграть с тобой в игру на концентрацию внимания, но уже по твоим правилам. Обучив программу, ты сам загадываешь, какой палец согнуть, и машина должна это понять.

— Ну что, готова? — спрашивает меня Дарья. — Сейчас будем работать в режиме Люка Скайуокера.

Я левша и беспокоюсь, что это может помешать эксперименту.

— Это ничего, просто поиграть с рукой может и левша, — говорит Дарья.

Студентка берёт большой шприц без иглы, наполненный прозрачной жидкостью, и шутя предупреждает:

— Приготовься, сейчас будем тебе голову этим шприцом прокалывать.

Я сижу в странной шапочке с дырками спиной к окну, занавешенному чёрной тканью, чтобы не проникал свет, и немного нервничаю. В это время мне на макушку, хлюпая, льётся липкая прозрачная жижа — электропроводный гель с ионами для проведения тока из моей головы.

Дарья включает Сенатора, и он снова недружелюбно жужжит. Мы начинаем обучать программу. Около пяти минут я послушно смотрю на каждый палец, который согнула и разогнула машина, и считаю про себя мигания. Иногда сбиваюсь, так как пальцы расположены близко друг к другу и сконцентрироваться на одном из них не так уж и просто. Когда программа заканчивает учиться, начинается самое интересное. Я сама загадываю палец. Не отрываясь, смотрю только на него. Считаю. Снова сбиваюсь. Из пяти загаданных мною пальцев рука верно согнула два. Но в самый первый раз Сенатор отгадал верно: большой палец!

— Конечно, с первого раза не у всех получается. Лучше всего программа пока слушается Даню и меня, — резюмирует Дарья.

Даниил говорит, что подобная модель руки может пригодиться для реабилитации пациентов после инсульта. Если закрепить её как экзоскелет на пострадавшей руке, человек сможет тренировать парализованные пальцы. Прелесть в том, что заставлять пальцы сгибаться будет уже не компьютер, а человеческий мозг, который ловит взаимосвязь между движениями. Восстановление больного пойдёт намного быстрее. Мозг получит возможность формировать команды для компьютера напрямую — на основе собственной электрической активности, без использования мышц.

— Сверхзадача, которая пока невыполнима, — это создать протез, управляемый мозгом. Ещё никто в мире не решил этот вопрос без имплантации электродов, но большинство людей, наверное, будут против того, чтобы им сверлили дырки в голове и вставляли туда провода. На рынке уже есть протезы, для которых электроды устанавливаются на мышцах: человек напригает мышцы, и механическая рука делает движение. Но у такой руки очень маленький набор действий.

Когда я выхожу из лаборатории и иду по коридорам биофака, в моей голове звучит марш из «Звёздных войн». Возможно, Сенатор вскоре окончательно перейдёт на светлую сторону.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №7-8 (9-10) за июль-август 2015 г.