Технології

Як під'єднати себе до комп'ютера і навіщо свердлити череп? Розбираємося, що таке інтерфейс "мозок-комп'ютер"

Так, давайте з самого початку. Що таке інтерфейс “мозок-комп’ютер”?

Інтерфейс “мозок-комп’ютер” - це прилади та програми, якими можна керувати за допомогою уяви та зміни стану мозку. Наприклад, комп’ютер під’єднується до електроенцефалографа та роботичної руки, керування якою здійснюється за допомогою мисленнєвих команд. 

Ідея пов’язати мозок напряму із комп’ютером виникла ще в 1973 році, незадовго після розробки цифрових електроенцефалографів, які записували дані про активність мозку на носії комп’ютера. Якщо сьогодні для запису електроенцефалографії використовуються звичайні комп’ютери, то у 1970-х це були великі і складні машини, які оперували величезними на той час об’ємами даних.

Інтерфейс “мозок-машина” створювався для того, щоб людина могла керувати комп'ютером чи роботом за допомогою думки. Наукові дослідження цієї теми почалися у 1973 році в Каліфорнійському університеті Лос-Анджелеса. Розвиток цього мав зробити комп'ютер “істинним протезним продовженням мозку”, яке може полегшити життя та відновити можливість спілкування у повністю паралізованих пацієнтів. Вже в 1977 році фінансування цих проєктів здійснювалося Управлінням перспективних дослідницьких проєктів Міністерства оборони США, яке наразі відомо як DARPA.

Окрім керування зовнішніми об’єктами, деякі прилади використовуються для лікування стійких психіатричних розладів, зокрема стійкої до лікування антидепресантами великої депресії та обсесивно-компульсивного розладу. Під’єднавши ділянки мозку до обчислювального приладу, можна забезпечити автоматичну стимуляцію мозку щойно з’являються симптоми хвороби.

Як воно працює?

Інтерфейс “мозок-комп’ютер” інтерпретує сигнали, які генеруються мозком, та визначає, яку дію хоче здійснити користувач.

Ще у 1920-х Ганс Берґер Єнського університету продемонстрував можливість записувати електричну активність мозку як з поверхні твердої оболонки мозку, так і безпосередньо з черепа. Тобто, зміни у активації нервових клітин можна зафіксувати та записати у вигляді електричних коливань з амплітудою у кількадесят мілівольт. Цей сигнал направляється до комп’ютера у цифровому вигляді, який застосовує ряд обчислень і застосовує алгоритми машинного навчання для визначення наміру людини.

І що, як у фільмах?

Ні, до технологій "Матриці" нам ще далеко. 

Хоча сучасні комплекси “мозок-комп’ютер” передають інформацію в двадцять разів швидше ніж у 1970-1980 х роках, користувач системи повинен навчитися користуватися цим апаратом, який зчитує окремі функціональні стани, а не розшифровує усі процеси, що відбувається у людській голові. Інакше кажучи, користувач має дотримуватись певних інструкцій щоб викликати потрібний патерн активації мозку. Патерн значною мірою залежить від того, який тип інтерфейсу використовується. Тренування таких навичок здійснюється завдяки нейрофідбеку: уявлення рухів, розслабленні уваги чи її концентрації на певному стимулі.

Крім цього, двосторонні інтерфейси “мозок-комп’ютер”, які можуть забезпечити тактильні відчуття від роботизованої руки,  перебувають на стадії розробки. Ця тема широко поширена серед науковців, які займаються інвазивними технологіями. Дослідники неінвазивних методів також намагаються забезпечити наявність відчуттів від керованих об’єктів. Проте, для досягнення таких результатів без вживлення електродів для стимуляції потрібен подальший розвиток технологій транскраніальної стимуляції.

Так, а як підключитися? Чи можна не свердлити череп?

Так, існують неінвазивні методи керування комп’ютером через інтерфейс “мозок-машина”. 

Неінвазивні методи переважно спираються на технологію електроенцефалографії. Оскільки для певних видів задач мозок продукує специфічні сигнали, які є універсальними за своїми особливостями для всіх людей, ця технологія є однією з найпоширеніших.

Наразі, неінвазивні технології можуть досить широко використовуватися у щоденному житті. Протягом останніх років інтерфейси “мозок-комп’ютер” розробляються для керування інвалідним візком. Нещодавно вийшла стаття про використання такого інтерфейсу для участі у перегонах дронів. А дослідники Університету Карнегі Меллон забезпечили  керування роботизованою рукою за допомогою сили думки.

Напівінвазивні технології вимагають трепанації черепа, та все ж не пов’язані з імплантацією чіпів безпосередньо у сіру речовину мозку. Електрокортикограма здійснюється за допомогою електродів на силіконовому листі, які розташовуються на корі головного мозку чи на його твердій оболонці. Розробка мікроелектрокортикограми, яка здійснюється за допомогою електродів діаметром у кілька десятків мікрометрів, дозволяє отримати дані, які за якістю наближаються до інвазивних технологій, проте не викликають такої інтенсивної імунної відповіді на хірургічне втручання.

Чому тоді і далі працюють над інвазивними методами?

За допомогою неінвазивних технологій неможливо досягти такого самого рівня точності та чистоти записів. 

Потенційно, інвазивні методи можуть записувати сигнал від окремих нервових клітин, що є найвищою кількістю інформації, яку взагалі можна отримати записуючи дані активності мозку. 

Поступово вчені наближаються до цієї мети. У 2019 році бельгійські дослідники розробили мультиелектродний масив з 16 384 електродами, які записують електричні сигнали мозку за допомогою 1 024 каналів. Найменший з цих чіпів має розмір 2.5 × 3.5 квадратних мікрометрів.При цьому, за допомогою неінвазивних технологій вчені локалізують сигнали із точністю до 5 міліметрів.

Наскільки ризикованими є інвазивні технології?

Ризик ускладнень є, але він складає близько 3%.

Вживлення електродів є серйозною операцією, яка вимагає загального наркозу та роботи команди спеціалістів. Найбільш поширеними ускладненнями імплантації електродів є інфекції, порушення роботи імплантованого генератора імпульсів, який застосовується для глибокої стимуляції мозку, та крововиливи. Ускладнення трапляються у 3% випадків, переважно під час операції чи протягом наступних кількох днів. У більшості випадків, лікарі успішно усувають ускладнення, частина з яких вимагає видалення електродів і унеможливлює використання інвазивних технологій. 

Завдяки цьому, смертність серед пацієнтів, яким імплантують електроди, залишається досить низькою. У дослідженні 2019 року, з 34 089 пацієнтів померли лише семеро. Проте, максимальний термін використання мікроелектродних масивів - близько 5,4 року. За цей час електроди перестають нормально функціонувати і вимагають видалення.

Які проблеми допоможе вирішити?

Розвиток інтерфейсу “мозок-машина” є важливим для самостійності та повноцінного життя повністю паралізованих пацієнтів, які втратили можливість рухатися та спілкуватися через інсульт чи аміотрофічний латеральний склероз. 

Застосування нейростимуляцийних технологій може допомогти відновити втрачений зір і слух. Загалом, якість життя людей із такими серйозними розладами значно підвищиться.

А це етично?

Оскільки пацієнти, які користуються інтерфейсами “мозок-машина” часто цілком паралізовані, може виникнути проблема з отриманням інформованої згоди. Першим етапом отримання згоди є ознайомлення пацієнта у доступній формi із діагнозом, пропоноваю процедурою та її наслідками. Після цього, пацієнт має надати згоду на процедуру та підтвердити добровільність свого рішення. Відсутність можливості спілкуватися у повністю паралізованих пацієнтів призводить до неможливості отримати таку згоду. 

Непорозуміння із лікарями, у результаті яких можуть виникнути нереалістичні очікування від застосування приладу, є ще однією проблемою з інформованою згодою. Розчарування в ефективності приладу може перейти у депресію, яка вимагатиме додаткового лікування та погрішить якість життя.

Подібні інтерфейси можуть як позитивно, так і негативно впливати на автономність як здатність виконувати дії відповідно до свого бажання та можливість їх контролювати. Деякі дослідники вказують на підвищення рівня автономності у зв’язку зі збільшенням контролю над своїм життям. Однак, взаємодія зі світом через прилади може призводити до зменшення відчуття суб’єктності і контролю над своїми рухами.

Під'єднання до робота чи комп’ютера може бути причиною зміни ідентичності особи. Так, у пацієнтів може змінитися їх схема тіла, соціальна ідентичність чи особистість. Хоча використання інтерфейсу “мозок-машина” може бути не єдиною причиною зміни ідентичності, ця тема все ж потребує подальшого дослідження.

Питання справедливості постає у декількох площинах одразу. По-перше, інтереси виробників приладів та користувачів можуть не співпадати. Через це можуть виникати загрози для безпеки та терапевтичного потенціалу приладу. По-друге, така форма лікування має високу вартість, і тому не всі категорії пацієнтів можуть брати участь у дослідженнях. А це може призвести до різної ефективності технології в залежності від віку, статі, раси чи захворювання. Обмеженість ресурсів також може піднімати питання пріоритизації пацієнтів і вибору тих, хто отримає найбільшу користь від застосування технології.

Особливої уваги ці проблеми вимагають при роботі з приладами, які впливають на емоційний стан. Питання автономності, ідентичності і норми постають тут особливо яскраво оскільки такі машини дуже близько взаємодіють із почуттями та особистістю людини.

А що каже закон?

У зв’язку з особливостями керування приладами через інтерфейс “мозок-машина” можуть виникнути питання щодо юридичної відповідальності осіб, які використовують такі засоби. Причиною вчинення порушення може бути намір особи, збій у роботі приладу або ж помилка з боку людини у взаємодії з обладнанням. У такому разі, не завжди буде зрозумілим, чи відповідає особа за вчинене, чи могла вона передбачити наслідки і яке покарання повинне бути застосоване у разі її відповідальності.

Так само, оскільки відтворити повний контроль над тілом у взаємодії із роботом можна лише у певних межах, до яких ми ще не наблизилися, процес визнання особи винуватою може вимагати більше уваги до деталей. Важливо не допустити звинувачень особи за її необхідність користуватися приладами, які потенційно можуть працювати помилково. 

Окремої уваги заслуговує використання інтерфейсів “мозок-машина” з рекреаційною та розважальною метою. У такому випадку, особа не матиме жодного морального виправдання використання потенційно небезпечних механізмів. Проте, це не робить інтерфейси “мозок-машина” повністю передбачуваними. До того ж, керування такими машинами вимагає тренування, яке може бути менш якісним серед людей без життєвої необхідності керувати такими приладами. Усі ці фактори вимагають законодавчого регулювання та розгляду.

На межі технічних та юридичних проблем постає питання захисту даних та права ними розпоряджатися. Злам інтерфейсів “мозок-машина” може призводити до поширення вельми особистих даних чи втручанню у свідомість людини за наявності стимулювальних електродів. Можливість перехопити дані від машини відкриває можливості для шпигування за людиною і втрати конфіденційної інформації.

Добре, зрозумiло. Але при чому тут Маск?

Ілон Маск розробляє дуже маленькі електроди, які можна було б імплантувати із мінімальним ризиком для пацієнта. 

У статті 2019 року, Маск розповів про створення “нитки” електродів, основним матеріалом яких є поліімід. Всередині цього матеріалу знаходиться тонкий канал із золотом, яке передає сигнал від мозку до підсилювача сигналів. 

Кожна така нитка складається з 32 електродів і має ширину від 5 до 50 мікрометрів в залежності від розташування електродів. Товщина таких ниток складає близько 4-6 мікрометрів, а їх довжина - 20 міліметрів. Завдяки цьому, Neuralink сподівається записати потенціали дії нейронів, що є найбільш точною інформацією про діяльністю мозку.

Щоб вживляти такі електроди, було розроблено робота. Розмір електродів і записуючих приладів значно зменшує травми, які отримуються під час імплантації. Метою команди Neuralink є можливість вживлення електродів та використання приладу без госпіталізації та нагляду лікарів. Бездротове з’єднання, можливість використовувати прилад протягом років та десятиліть і практичність отриманих даних дозволять значно розширити можливості людства.