Кому нужен компьютер в голове и что будет, если его взломают

Это сообщение в 2016 году Деннис Дегрей отправил своему другу. 66-летний мужчина был парализован и отправил сообщение при помощи двух небольших кремниевых квадратиков с металлическими электродами, имплантированных в моторную кору его мозга.

Обычно мы говорим о возможности контролировать окружающий мир «силой мысли» в контексте научной фантастики. Подобные технологии мы привыкли воспринимать как плод воображения писателей и режиссеров или же как перспективы далекого будущего, до которого вряд ли доживем.

На самом же деле настоящие нейроинтерфейсы — приборы, которые связывают мозг и внешние устройства, — исследуют давно. Все началось в 1924 (!) году, когда ученые открыли электрическую активность человеческого мозга и разработали электроэнцефалографию (ЭЭГ).

Уже тогда многие задумались, как можно перевести сигналы мозга в сигналы для машин. А со временем появился термин «интерфейс мозг-компьютер» (ИМК), или «нейроинтерфейс».

Сейчас исследователи отлично представляют возможные применения нейроинтерфейсов и даже разрабатывают их тестовые прототипы. Но, чтобы построить настоящую связь мозга с машинами, разработчикам нужно найти эффективный способ получать данные об активности мозга, расшифровывать эту информацию и потом использовать для взаимодействия с техникой. Так люди смогут передавать информацию и даже манипулировать объектами на расстоянии просто «правильно подумав».

В свою очередь, под «чтением мыслей» нейроинтерфейсом мы понимаем регистрацию активности, возбуждения конкретных нейронов или же регистрацию определенных паттернов в ЭЭГ.

Нейроинтерфейсы можно разделить на две большие группы по типу сенсоров, которые регистрируют сигналы мозга: инвазивные и неинвазивные.

Неинвазивные интерфейсы бывают разными: можно разместить электроды на голове и писать электроэнцефалограмму (ЭЭГ), а можно записывать магнитоэнцефалограмму (МЭГ), то есть регистрировать магнитные поля, которые возникают вследствие электрической активности мозга.

Есть и интерфейсы, основанные на насыщении крови гемоглобином (чем больше группа нейронов использует кислорода, который переносится оксигемоглобином, тем она активнее) или притока крови к разным областям мозга (чем больше приток крови к группе нейронов, тем она активнее), но они используются сильно реже.

Сегодня самый популярный неинвазивный метод получения информации об активности мозга — это ЭЭГ. Электроэнцефалограммы довольно точные, относительно дешевые и могут проводиться в разных местах. А еще они не угрожает здоровью пациента. Но качество ЭЭГ-сигналов в подобных ИМК оставляет желать лучшего из-за «шумов».

Для уменьшения шума и улучшения качества записи иногда прибегают к инвазивным способам — имплантированию микроэлектродов внутрь черепа. В исследованиях ИМК существуют два инвазивных подхода: электрокортикографию (ЭКоГ), при которой электроды располагаются на поверхности коры головного мозга, и интракортикальную запись нейронной активности — когда датчики имплантируют в кору.

Деннис Дегрей — автор сообщения, с которого начинается эта статья, — один из самых опытных и преданных своему делу испытателей нейроинтерфейса. Он провел почти 400 тренировок, управляя различными технологиями с помощью своего разума. Играл в видеоигры, манипулировал роботизированной конечностью, отправлял текстовые сообщения и электронные письма, покупал товары на Amazon и даже управлял дроном (правда, пока лишь симулятором, не настоящим).

Все это он делал, не пошевелив пальцем. Сейчас Дегрей и другие добровольцы вместе изучают передовые технологии, способные коренным образом изменить взаимодействие людей и машин.

Нейроинтерфейсы могут не только получать и передавать сигналы. Ученые из Университета Карнеги-Меллон и Университета Киото разработали способы «предсказывать» мысли и визуализировать их.

Наш мозг использует определенные шаблоны, чтобы выполнить задачи с минимальными затратами энергии. Каждый раз, когда мы думаем об одном и том же объекте (например, маленьком синем шарике), возникает соответствующая ему реакция в мозгу. Первая группа исследователей загрузила данные о стимулах и реакциях в алгоритм, затем нейросеть создала каталог из 240 реакций мозга на отдельных людей, места или физические действия. Эту нейросеть планируют использовать для предсказания мыслей по данным МРТ.

Визуализировать мысли по МРТ нейросеть научили так: ученые 10 месяцев показывали нескольким людям всевозможные изображения предметов, фигур и букв, при этом снимая показатели мозговой активности во время просмотра. Затем людей просили воспроизвести эти картинки мысленно и снимали показатели еще раз. На основе полученных данных ученые обучили нейросеть создавать текст и даже полноценные изображения.

А группа исследователей из Калифорнийского университета разработала прибор, который переводит мозговую активность не в текст, а в звуки. Когда человек произносит определенные слова, у него активируются соответствующие группы нейронов. Можно перевести записанные электрические импульсы в двоичный код. 1 — активность нейрона, а 0 — отсутствие активности.

Предположим, группа нейронов, связанных с конкретным словом, имеет код 1010, с другим словом — 1110. Таким образом можно понять, какое слово пытается сказать человек, даже если ему не удается его произнести. Ученые внедрили имплантат в речевые отделы мозга испытуемых, использовали данные их мозговой активности и сравнивали с их движениями голосового тракта.

Так они разработали виртуальную модель речевого аппарата каждого участника эксперимента, а смоделированные движения программа перевела в звуки.

В России нейроинтерфейсами также интересуются ученые и стартапы. А не так давно появились и первые прототипы российских нейроинтерфейсов.

В 2016 свой проект представили разработчики «Нейрочата». Нейрокомьюникатор ИМК-P300 позволяет парализованным людям писать сообщения, используя данные ЭЭГ.

Нейрофизиологи установили, что заинтересованность человека в том или ином стимуле (символе, букве) проявляется в увеличении амплитуды определенной волны (Р300) в ЭЭГ. Принцип работы «Нейрочата» такой: пользователь заранее мысленно концентрируется на букве или символе. Затем, при переборе на экране вариантов, его заинтересованность заранее выбранным объектом фиксируется. Намерение отмечается в ИМК в виде команды для набора соответствующей буквы на экране.

Сейчас «Нейрочат» используют в больницах, исследовательских центрах и университетах. Разработчики стали резидентами «Сколково» и получили поддержку от Российского фонда прямых инвестиций.

Позже, в 2021 году в «Сколково» показали нейроимплантат ELVIS, который в будущем должен помочь вернуть зрение слепым людям. Устройство состоит из микрокомпьютера, который считывает данные с закрепленных на голове пользователя камер и передает их в сам нейроимплантат в зрительной коре мозга.

Он считывает картинку с камер, выделяет контуры объектов и передает информацию в самую важную часть гаджета — нейроимплантат. Его нужно присоединять к зрительной коре мозга. Округлая часть (антенна) и центральная металлическая (микропроцессор) закрепляются на черепе под кожей, электроды устанавливают в череп и непосредственно взаимодействуют со зрительной корой — стимулируют ее малыми токами. Так у человека появляется мысленная картина объекта.

В Сколково считают, что использование нейроинтерфейсов начнет распространяться в ближайшие 10–15 лет. Правда, в повседневную жизнь они проникнут не сразу. По мнению старшего вице-президента по инновациям фонда «Сколково» Кирилла Каема, сначала ИМК начнут применяться в медицине и только потом в остальных областях.

Несмотря на амбициозные планы разработчиков, у нейроинтерфейсов все еще есть большие нерешенные проблемы.

К примеру, любые нейрокоммуникаторы позволяют печатать лишь очень медленно. С «Нейрочатом» скорость набора — около 15 букв в минуту. Причем печатать так быстро может только человек, который уже привык работать с устройством.

В инвазивных методиках еще не до конца решили вопросы точности и безопасности. При установке электродов человеку можно нанести опасные повреждения. А еще после установки электроды начинают зарастать нейроглией и работают хуже.

Многие компании работают над этими проблемами. Например, Neuralink, основанная Илоном Маском, создала сложного нейрохирургического робота, который может вставлять шесть «нитей» в минуту (192 электрода). Он может отслеживать малейшие смещения ткани мозга из-за дыхания и выполнять очень точные движения.

Ширина каждой «нити» — 5–50 микрометров, это в три раза тоньше человеческого волоса и сопоставимо с размером нейрона. Такой размер обеспечивает минимальное повреждение ткани. А еще нити сделаны из биосовместимого материала, который по составу похож на мозговую ткань. Это помогает избежать воспалений и иммунных атак, опасных для мозга.

Нейроинтерфейсы практически не испытывают на людях. Так, Neuralink уже испытали на приматах. Затем, в 2020 году, компания анонсировала испытания на людях. Но потом им не удалось получить разрешение, испытания перенесли на 2021-й, потом – на 2022-й. В итоге люди до сих пор не проверили Neuralink в деле.

В компании BrainGate смогли имплантировать электродную матрицу в кору мозга. Пока они проверили работу интерфейса только на двух добровольцах. Зато решили проблему с крайне малой пропускной способностью многих подобных нейроинтерфейсов.

Что делать если кто-то сможет получить контроль над системой и «модифицировать» ее? Это не сюжет научной фантастики, а вполне реальная перспектива — хакеры уже взламывали кардиостимуляторы. Нет никакой гарантии, что это невозможно сделать с ИМК.

Или, если нейроинтерфейс работает не так, как вы хотите, несете ли вы ответственность, как пользователь, за то, что он «сказал» или сделал?

У нас еще есть время, чтобы подумать над этими вопросами. Но — с учетом стремительного развития нейротехнологий в последние 10 лет — кажется, что осталось не так много времени до момента, когда мы столкнемся с ними лицом к лицу.