Игра на нервах
Юлия ШИШКОВА
Идея научить компьютер читать человеческие мысли возникла давно. Еще в 1933 году американский полицейский Леонард Киллер изобрел первый полиграф - прибор, метко прозванный в народе “детектором лжи”. Ученые всего мира уже много лет стремятся к тому, чтобы разработать некий “детектор эмоций”, способный осуществлять взаимодействие между машиной и человеком - передавать информацию прямо в мозг и принимать команды напрямую, без помощи других устройств.
В фантастических романах такие приборы называются “нейроинтерфейсами”. А в реальной жизни попытками создать подобный интерфейс занимается нейроэлектроника - новая наука, возникшая на стыке нейрофизиологии и электроники.
Суть работы созданного Леонардом Киллером полиграфа была проста: фиксируя незначительные изменения физиологических функций - частоты пульса, дыхательных движений, потливости рук и так далее, устройство с высокой вероятностью показывает, когда человек лжет. Однако тестирование на полиграфе невозможно без участия опытного специалиста. Кроме того, не раз бывали случаи, когда, вместо того чтобы вывести подозреваемого на чистую воду, техника сама начинала “врать”. Другими словами, в качестве основы для “детектора эмоций”, связывающего человека с компьютером, полиграф не очень-то эффективен.
История первых “нейроинтерфейсов” начинается в 1967 году. Именно тогда ученый Эдмонд Дьюэн, вооружившись электроэнцефалографом - прибором для регистрации биологической активности головного мозга, провел весьма интересный эксперимент.
В ходе испытаний добровольцы учились контролировать амплитуду мозгового альфа-ритма и передавать на электроэнцефалограф сигналы, соответствовавшие точкам и тире азбуки Морзе. После нескольких тренировок человеческий мозг наконец “произнес” свое первое слово - “кибернетика”.
Положительный результат экспериментов Дьюэна привел к тому, что разработкой “нейроинтерфейсов” заинтересовались медики и военные. Врачи предполагали использовать подобные устройства, чтобы помочь людям с физическими недостатками. Военным же виделись танки и истребители, управляемые лишь силой мысли. Первые результаты появились уже в 90-х годах ХХ века. С помощью примитивных нейроинтерфейсов появилась возможность перемещать курсор на экране компьютера, управлять креслом-каталкой и даже контролировать движения искусственной руки. Большинство разработок не требовали сложной операции по вживлению в голову человека электродов и обходились энцефалограммой, считываемой расположенными на голове датчиками. Технология выделения команд из энцефалограммы весьма оригинальна. Во время калибровки устройства определяется несколько удобных пользователю мысленных состояний, которые сопоставляются с определенными командами. Например, для того чтобы двигать курсор вверх, достаточно посмотреть на один из мерцающих квадратов, выведенных на экран. Программа выделит из энцефалограммы это состояние и сопоставит его с необходимой командой. При этом калибровка и обучение пользователей занимают всего несколько часов.
Параллельно с разработкой систем, распознающих получаемые из головного мозга команды, ведутся и работы над передачей информации напрямую в мозг. Эта область - одна из наиболее сложных и наукоемких, ведь здесь уже не обойтись без сложного и дорогого хирургического вмешательства - “подключения” напрямую к одному из нервов или даже мозгу.
Мозг, в котором на передачу химических сигналов между нейронами уходят микросекунды, выполняет некоторые задачи быстрее и лучше, чем самые мощные процессоры. Секрет в том, что мозг, в отличие от компьютера, не исполняет закодированные инструкции, а активирует связи (синапсы) между нейронами. Каждая активация эквивалентна выполнению цифровой команды. Можно оценить, сколько связей активируется каждую секунду, и сравнить с количеством команд, выполняемых компьютером за то же время. Синаптическая активность достигает 10 квадрильонов (десять в шестнадцатой степени) связей нейронов в секунду. Чтобы добиться такой производительности, потребуется миллион компьютеров Intel Pentium, потребляющих в общей сложности сотни мегаватт. Сегодня инженеры пытаются воспроизводить нейронные структуры и их функции.
Здесь на помощь приходят другие современные разработки. Среди них - нанотехнологии.
Даже самые современные исследования электрической активности нервных клеток большинства животных слишком грубы. Для измерения потенциалов используются микроэлектроды, диаметр которых во много раз больше, чем тело нейрона. Они позволяют получать информацию лишь об активности групп клеток. Однако наноструны диаметром 10 нм в тысячу раз меньше микроэлектродов, а значит, могут обеспечить “нежное” прикосновение к отдельным отросткам нервных клеток - аксонам и дендритам нейронов. Более того, наноструны могут определять электрический сигнал в пятидесяти точках на протяжении одного аксона, что до сих пор было невозможно.
С помощью наноэлектродов можно не только получать информацию о сигналах, передающихся вдоль отдельных нейронов, но и подавать на них электрические импульсы. Разработкой такой системы занимается группа профессора Гарвардского университета Чарльза Либера. Сейчас ученые изучают нейротрансмиттеры - химические вещества, передающие информацию между нейронами. С этой целью они подключают искусственные синапсы к нейросети, состоящей из нескольких живых нейронов. Подобные сети помогут сконструировать совершенные биомеханические протезы конечностей, а также устройства, непосредственно соединяющие мозг с компьютером. Между тем исследователи из Массачусетского технологического института (США) предполагают использовать наноимплантанты для диагностики и лечения различных заболеваний, например, болезни Паркинсона и Альцгеймера.
Ученый Рудольфо Ллинас поясняет, что с помощью имплантируемого в кровеносную систему пучка нано-струн можно будет в реальном времени получать информацию о различных отделах мозга пациента.
Диаметр нанострун исчисляется несколькими нанометрами, в то время как диаметр самых тонких капилляров составляет несколько микрон. Поэтому вводимые в организм наноимплантанты не смогут помешать естественной циркуляции крови, переносу газов и питательных веществ. Пучок нанострун вводится в одну из крупнейших артерий, а затем проводится непосредственно в мозг, где отдельные наноструны распределяются на передачу информации от различных его участков.
Исследователям уже удалось ввести платиновый нанопровод по кровеносному сосуду и с его помощью получить сигналы нервных клеток, лежащих около капилляра.
По словам Рудольфо Ллинаса, современные методы диагностики (томография и магниторезонансная диагностика) не дают полной информации о тех процессах, которые протекают в головном мозге.
Как же заставить нанопроводники проникнуть в строго определенный отдел мозга? Для этого предлагается использовать полимерный нанопроводник, изгибающийся в зависимости от поданного на него напряжения. Врач сможет направить такой нанопровод-зонд, который в 20 раз тоньше платинового, даже к отдельным нервным клеткам.
Ведутся разработки вживляемой кремниевой сетчатки и создание подобным же образом органов слуха.
Сетчатка - это нервная ткань толщиной 0,5 мм, покрывающая заднюю стенку глаза. Она состоит из пяти специализированных слоев нервных клеток и выполняет предварительную обработку визуальных изображений (образов) - извлекает полезную информацию, не обращаясь к мозгу и не расходуя его ресурсы. Считается, что слепой человек мог бы видеть с помощью нейроморфного имплантанта сетчатки.
Ученые Пенсильванского университета недавно изготовили простейший ее кремниевый аналог, однако столкнулись с большими трудностями: при толщине 0,5 мм искусственная сетчатка весит 0,5 г и потребляет 0,1 Вт.
А два инженера-бионика из Университета Южной Калифорнии Теодор Бергер и Джим-Ши Ляу создали первую в мире электронную систему, способную выделять из фонового шума и распознавать устную речь гораздо лучше, чем тончайший человеческий слух. Устройства этого типа будут полезны для глухих, авиадиспетчеров, для голосового управления компьютерами и другими машинами.
Человеческий слух способен улавливать отдельные слова, если шум перекрывает голос в сто раз.
Электронная система Бергера и Ляу правильно распознает 60 процентов слов при уровне белого шума, превосходящем в 560 раз уровень голосового сигнала.
Новое устройство - это нейрокомпьютер, то есть реализованная в кремнии нейронная сеть. В нем 11 кремниевых нейронов и около 30 связей между ними. Исследователи выяснили, что в работе реальных нейронных сетей ключевую роль играет временной фактор: живой нейрон очень чувствителен к точному моменту прихода импульсов на его входы и тонко подстраивает время “выхода” импульса. Бергер и Ляу учли эти новые сведения и положили их в основу своей разработки. Каждый из одиннадцати кремниевых нейронов их машины представляет собой довольно сложный чип, очень точно копирующий свойства и характеристики живого нейрона из гиппокампа - отдела мозга, участвующего в процессе ассоциативного обучения. Бергер и Ляу пошли еще дальше: они сделали все одиннадцать кремниевых нейронов чуть-чуть различными по характеристикам, так как в гиппокампе нет двух одинаковых нейронов.
Несколько лет назад и речи не было о том, чтобы сконструировать что-то сложнее системы “нейрон - транзистор”. Сейчас созданы отдельные нейронные цепи, управляемые микроэлектроникой. Исследователи надеются в скором времени создать электронные матрицы, на которых нейронные сети смогут расти и развиваться. А от “живой” нейросети не так уж далеко до полноценного нейроинтерфейса - такого, например, как в романах Уильяма Гибсона. Осуществится эта идея или так и останется мечтой? Время покажет.