Читання і перезапис мозку

Запам’ятайте цю дату: дослідники Технологічного університету в То^ асі обіцяють, що через п’ять років — вже в 2022-му — з’явиться працюючий пристрій і мобільний додаток для читання думок і спогадів. А де читання — там і запис?

Для оптимістичного прогнозу професора Цунео Нітти є цілком зрозумілі підстави. Навесні 2017 року його команда показала систему, яка зчитує електричну активність клітин мозку, вгадуючи задуману людиною цифру або односкладове слово. Роком раніше їхні американські колеги навчилися визначати вид картинки, на яку дивиться людина, — зображення обличчя або вдома — по збудженню нейронів його зорової кори. Все це стало можливим завдяки вдосконаленню старих методів реєстрації активності клітин мозку і новим підходам до інтерпретації цих «галасливих» даних.

Насправді, наші думки, спогади і сни нематеріальні, але у них є матеріальний субстрат. В основі процесів, що відбуваються в мозку, лежать узгоджені збудження нейронних набоїв, спалахи активності в ансамблях клітин. Навчаючись і накопичуючи досвід, мозок перебудовує ці патерни, створюючи і зміцнюючи одні зв’язки, послаблюючи і видаляючи інші. Стрибки їх електричної активності можна виміряти, а знайшовши більш-менш стійкі патерни клітин, що «спалахують» разом, — розпізнати їх. Однак труднощі нас чекають вже з першого кроку…

Машина вчиться читати

Розробники навчають штучний інтелект інтерпретувати дані активності нейронних набоїв, пов’язаної зі сприйняттям зображень. Коли навчання закінчено, систему можна перевірити навіть на раніше незнайомих їй об’єктах.

Виміряти

Найточніший спосіб дізнатися активність нейронів — підвести прямо до них тонкі електроди. Так діяли ще піонери вивчення мозку, так працюють вчені і зараз, хіба що датчики стали мініатюрнішими і чутливішими, а головне — їх стало більше. Масиви з десятків тисяч мікроелектродів моментально реєструють збудження з роздільною здатністю до окремих клітин. Саме вони дозволили визначати, будинок чи обличчя бачить людина, за активністю нейронів зорової кори її мозку. А Михайло Лебедєв і його колеги з групи професора Мігеля Ніколесіса імплантували електроди в моторну кору мавпи, розшифрували її команди і передали на роботизовану руку, так що тварина навчилася хапати нею банан. Чудово — якщо б не одне але.

Михайло Лебедєв експериментував на макаках; в дослідах з зоровою корою використовувалися хворі на епілепсію, що проходили хірургічну операцію. Навряд чи людина в здоровому глузді погодиться на настільки небезпечне втручання тільки потім, щоб хтось імплантував електроди йому в мозок. На щастя, існують і неінвазивні підходи до вимірювання активності нейронних набоїв. Найпопулярніший з них — електроенцефалографія (ЕЕГ), електроди для якої накладаються на шкіру голови. Результат вони дають не такий точний, зате не вимагають ризикованих маніпуляцій на відкритому мозку.

Обидва методи працюють тільки для процесів, що відбуваються неглибоко під поверхнею мозку. Побачити його в усьому обсязі можна за допомогою томографії, і її часто використовують вчені. Але для повсякденного «читання думок» це спосіб довгий і громіздкий. До того ж нас цікавлять саме верхні шари, де локалізовані вищі функції: все найцікавіше лежить біля поверхні, доступної ЕЕГ і електродам. Залишається ці дані…

Розпізнати

Характеристики ЕЕГ у людей неповторні, як відбитки пальців: їх цілком можна використовувати для ідентифікації особистості. Патерни нейрональної активності у різних людей схожі лише загалом, а деталі складаються в процесі розвитку мозку і накопичення досвіду. Однак в останні роки ШІ навчився знаходити загальні закономірності в картинах активності мозку, що відповідає тим чи іншим образам.

Зовсім недавно, влітку 2017 року, ШІ дозволив вченим досить точно відновити деталі людського обличчя, фотографія якого пред’являлася мавпі з імплантованими в зорові зони мозку мікроелектродами. Потрібно лише навчити машину на досить великій вибірці вихідних даних, щоб потроху комп’ютер став розрізняти їх самостійно, все краще і краще.

Принципової різниці між організацією набоїв у моторній корі або зоровою немає, змінюються лише деталі подання інформації різними системами мозку. Інша справа — індивідуальні відмінності, через які алгоритм потрібно попередньо навчати на даних тієї ж людини, думки якої ми збираємося прочитати. Втім, є надія, що завдяки швидкому розвитку штучного інтелекту ця задача буде вирішена, і комп’ютер зможе працювати і з мозком незнайомої людини, зчитувати її думки і навіть їх…

Переписувати

Активність нейронних ансамблів можна не тільки реєструвати, а й змінювати і навіть створювати їх штучно. Професор Брайан Вілтген з Каліфорнійського університету в Дейвісі впливав на спогади, пригнічуючи збудження певних клітин гіпокампа. Стимульовані у мишей неприємні переживання слабшали, а потім і зовсім зникали з пам’яті. Вдається і зворотне завдання: точкове збудження нейронів дозволило відновити загублені спогади у тварин з аналогом людської хвороби Альцгеймера. На жаль, використаний при цьому підхід — оптогенетика — людям знову не підійде: для збудження нейронів у них вносять гени білків, чутливих до світла, після чого опромінюють лазером крізь невелике «віконце» в черепі.

Але і в цьому випадку, крім інвазивного методу, існує цілком безпечна альтернатива. Транскраніальна магнітна стимуляція (ТМС) — техніка, за великим рахунком зворотна ЕЕГ. Збудження нейронів домагаються, стимулюючи їх магнітним полем, яке створюють закріплені на черепі електроди. Джоель Уосс з Північно-Західного університету з колегами вже показали, що ТМС-вплив на гіпокамп стимулює пам’ять і допомагає хворим тим же Альцгеймером. Залишається лише дочекатися удосконалення цього методу: коли він дозволить цілеспрямовано впливати на окремі нейрони, справа буде в капелюсі. Чи ні? Адже навіть діставши в свої руки інструмент для «перезапису мозку», нам доведеться сформулювати, що і як саме ми маємо намір в ньому міняти. А для цього мозок потрібно…

Розуміти

Зважаючи на знання одних нейронних набоїв, ми не можемо передбачити, як виглядатимуть інші. За висловом Михайла Лебедєва, «читання думок можливе, тільки якщо це думка на заздалегідь задану тему» — будь то обличчя, цифра або загадана карта з колоди. Але припустимо, що в майбутньому більш досконалі алгоритми навчаться і цього. Уявімо, що гаджет, який професор Нітта обіцяв через п’ять років, відобразить на екрані низку образів: ось щось синє, ось фігура однокласника, запах дощу… Що скаже нам цей набір про переживання і почуття людини? Як скласти з цього цілісну думку? Для цього доведеться «прочитати» і інтерпретувати весь особистий досвід людини, а головне — зрозуміти, що ж таке сама думка і як вона складається з набору нейронних набоїв. Судячи з усього, технологій «читання і перезапису мозку» доведеться почекати довше, ніж сподіваються японські вчені.

Михайло Лебедєв, науковий співробітник Центру нейроінженерії Університету Дьюка:

«Прогрес в області інтерфейсів» мозок — комп’ютер «дійсно вражає. Це і успіхи в методах запису активності мозку, як інвазивних, так і неінвазивних, і поліпшене декодування, і вплив на мозок електричною, магнітною та оптогенетичною стимуляцією. Недалекий той день, коли ці технології будуть застосовуватися повсюдно: наприклад, замість того щоб ковтати таблетку від головного болю, ви будете накладати стимулюючу сітку — і подібну ж сітку ви будете надягати на симфонічному концерті для зчитування вашого сприйняття музики і стимуляції емоційних зон мозку. Але в першу чергу нейроінтерфейси знайдуть застосування в клініках, де вони будуть використовуватися для лікування неврологічних уражень і психіатричних розладів «.