Neuralink Илона Маска. Часть третья: полет над гнездом нейронов
Эксцентричный в хорошем смысле этого слова предприниматель, плейбой, филантроп Илон Маск известен всему миру. Это он решил вывести человечество в космос, колонизировать Марс, отказаться от одноразовых ракет. Это он решил сделать мир чище, пересадив нас с автомобилей с ДВС на самоуправляемые автомобили. Пока разворачиваются эти предприятия, он не сидит сложа руки. Он задумал Neuralink, который поможет нам стать новыми людьми. Без границ и без слабостей, как и положено в новом мире (Илона Маска).
Документировать сумасшедшие идеи Маска, как и всегда, вызвался Тим Урбан с WaitButWhy (он писал про искусственный интеллект, колонизацию Марса и SpaceX). Представляем одно из лучших произведений современной научно-популярной журналистики. Далее от первого лица.
Часть 1: Колосс Человеческий
Часть 2: Мозг
Полет над гнездом нейронов
Давайте на секунду отправимся назад во времени, в 50 000 год до нашей эры, украдем кого-нибудь и принесем его в 2017.
Это Бок. Бок, спасибо тебе и твоим людям за то, что вы изобрели язык.
Чтобы отблагодарить тебя, мы хотим показать тебе все невероятные штуки, которые нам удалось построить благодаря твоему изобретению.
Ладно, давайте посадим Бока на самолет, потом в подводную лодку, потом затащим на вершину Бурдж-Халифы. Теперь давайте покажем ему телескоп, телевизор и айфон. И пусть немного посидит в Интернете.
Было весело. Как тебе, Бок?
Да, мы поняли, что ты весьма удивился. На десерт, давайте покажем ему, как мы общаемся друг с другом.
Бок был бы потрясен, если бы узнал, что, несмотря на все волшебные способности, которые люди приобрели в результате диалогов между собой, благодаря умению говорить, процесс нашего общения ничуть не отличается от того, что был в его время. Когда два человека собираются поговорить, они используются технологии возрастом 50 000 лет.
Бок также удивится тому, что в мире, в котором работают удивительные машины, люди, сделавшие эти машины, бродят с теми же биологическими телами, с которыми ходили Бок и его друзья. Как такое возможно?
Вот почему нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) - подмножество более широкой области нейронной инженерии, которая сама является подмножеством биотехнологий, - так интересны. Мы неоднократно покорили мир своими технологиями, но когда дело доходит до мозгов - нашего главного инструмента - мир технологий ничего нам не дает.
Поэтому мы продолжаем общаться с использованием технологий, изобретенных Боком. Поэтому я набираю это предложение в 20 раз медленнее, чем думаю, и поэтому болезни, связанные с мозгом, по-прежнему уносят слишком много жизней.
Но через 50 000 лет после того самого великого открытия мир может измениться. Следующим рубежом мозга будет он сам.
* * *
Есть много разных вариантов возможных нейрокомпьютерных интерфейсов (которые иногда называют интерфейсом «мозг - компьютер» или «мозг - машина»), которые пригодятся для разных вещей. Но все, кто работает над НКИ, пытаются решить один, второй или оба этих вопроса:
1. Как я буду извлекать нужную информацию из мозга?
2. Как я буду посылать нужную информацию в мозг?
Первое касается вывода мозга - то есть записи того, что говорят нейроны. Второе касается внедрения информации в естественный поток мозга или изменение этого естественного потока каким-то образом - то есть стимулирование нейронов.
Два этих процесса постоянно протекают в вашей голове. Прямо сейчас ваши глаза выполняют определенный набор горизонтальных движений, которые позволяют вам прочитать это предложение. Это нейроны мозга выводят информацию в машину (ваши глаза), а машина получает команду и реагирует. И когда ваши глаза движутся определенным образом, фотоны с экрана проникают в вашу сетчатку и стимулируют нейроны в затылочной доли вашей коры, позволяя картинке мира попасть вам в сознание. Затем эта картинка стимулирует нейроны в другой части вашего мозга, которая позволяет вам обрабатывать информацию, заключенную в картинке, и извлекать смысл из предложения.
Ввод и вывод информации - вот что делают нейроны мозга. Вся индустрия НКИ хочет присоединиться к этому процессу.
Поначалу кажется, что это не такая сложная задача. Ведь мозг - это просто шарик холодца. И кора - часть мозга, которую мы хотим присовокупить к нашей записи и стимулированию - это просто салфетка, удобно расположенная на внешней части мозга, где к ней легко можно получить доступ. Внутри коры работают 20 миллиардов нейронов - 20 миллиардов маленьких транзисторов, которые могут дать нам совершенно новый способ контроля нашей жизни, здоровья и мира, если мы научимся с ними работать. Неужели их так сложно понять? Нейроны маленькие, но ведь мы знаем, как расщепить атом. Диаметр нейрона в 100 000 раз больше атома. Если бы атом был леденцом, нейрон был бы километровым в поперечнике - так что мы точно должны уметь работать с такими величинами. Правильно?
В чем же проблема?
С одной стороны, это правильные мысли, потому что они приводят к прогрессу в области. Мы действительно можем это сделать. Но как только вы начинаете понимать, что на самом деле происходит в мозге, сразу становится очевидно: это самая сложная задача для человека.
Поэтому прежде чем мы поговорим о самих НКИ, нам нужно внимательно изучать, что делают люди, которые создают НКИ. Лучше всего - увеличить мозг в 1000 раз и посмотреть, что происходит.
Помните наше сравнение коры мозга с салфеткой?
Если мы увеличим салфетку коры в 1000 раз - а она была примерно 48 сантиметров с каждой стороны - теперь она будет длиной в два квартала на Манхэттене. Потребуется около 25 минут, чтобы обойти периметр. И мозг в целом будет размером с Мэдисон Сквер Гарден.
Давайте выложим его в самом городе. Уверен, несколько сотен тысяч людей, которые там живут, нас поймут.
Я выбрал 1000-кратное увеличение по нескольким причинам. Одна из них заключается в том, что мы все мгновенно можем преобразовать размеры в своей голове. Каждый миллиметр фактического мозга стал метром. В мире нейронов, который намного меньше, каждый микрон стал миллиметром, который легко вообразить. Во-вторых, кора становится «человеческих» размеров: 2-миллиметровая толщина теперь 2 метра - как высокий человек.
Таким образом, мы можем подойти к 29-й улице, к краю нашей гигантской салфетки, и легко посмотреть, что происходит в ее двухметровой толщине. Для демонстрации давайте вытащим кубометр нашей гигантской коры, чтобы исследовать его, посмотреть, что происходит в обычном кубическом миллиметре настоящей коры.
Что мы видим в этом кубометре? Мешанину. Давайте очистим ее и положим обратно.
Сперва поместим сомы - маленькие тела всех нейронов, которые живут в этом кубе.
Сомы варьируются в размерах, но нейробиологи, с которыми я говорил, говорят, что сомы нейронов в коре чаще всего 10-15 мкм в диаметре (один мкм = микрон, 1/1000 миллиметра). То есть, если вы выложите 7-10 таких в линию, эта линия будет диаметром с волос человека. В наших масштабах сома будет 1-1,5 сантиметра в диаметре. Леденец.
Объем всей коры умещается в 500 000 кубических миллиметров, и в этом пространстве будет около 20 миллиардов сом. То есть средний кубический миллиметр коры содержит около 40 000 нейронов. То есть в нашем кубометре около 40 000 леденцов. Если разделить нашу коробку на 40 000 кубиков, каждый с гранью в 3 сантиметра, каждый из наших сома-леденцов будет в центре своего собственного 3-сантиметрового кубика, а все другие сомы - в 3 сантиметрах во всех направлениях.
Вы еще здесь? Можете представить наш метровый кубик с 40 000 плавающих леденцов?
Вот микроскопическое изображение сомы в реальной коре; все остальное вокруг нее было убрано:
Ладно, пока все выглядит не так сложно. Но сома - это лишь крошечная часть каждого нейрона. Из каждого нашего леденца простираются скрученные, ветвистые дендриты, которые в наших масштабах могут растягиваться на три-четыре метра в самых разных направлениях, и на том конце может быть аксон длиной в 100 метров (если переходит в другую часть коры) или километр (если спускается в спинной мозг и тело). Каждый из них толщиной в миллиметр, и эти провода превращают кору в плотно переплетенную электрическую вермишель.
И в этой вермишели происходит много всякого. Каждый нейрон имеет синаптические связи с 1000 - иногда до 10 000 - других нейронов. Поскольку в коре около 20 миллиардов нейронов, это значит, что в ней будет больше 20 триллионов отдельных нейронных связей (и квадриллион связей во всем мозге). В нашем кубометре будет более 20 миллионов синапсов.
При всем этом, не только из каждого леденца из 40 000 в нашем кубе исходят заросли вермишели, но и тысячи других спагетти проходят через наш куб из других частей коры. И значит, если бы мы попытались записать сигналы или простимулировать нейроны конкретно в этой кубической области, нам пришлось бы очень тяжело, потому что в мешанине спагетти будет трудно определить, какие нити спагетти принадлежат нашим сома-леденцам (и не дай бог в этой пасте будут клетки Пуркинье).
И, конечно же, не стоит забывать о нейропластичности. Напряжение каждого нейрона постоянно меняется, сотни раз в секунду. И десятки миллионов синаптических соединений в нашем кубе будут постоянно менять размеры, исчезать и появляться вновь.
Но это только начало.
Оказывается, в мозге также существуют глиальные клетки - клетки, которые бывают разных видов и выполняют множество различных функций, таких как вымывание химических веществ, высвобождаемых в синапсах, обертывание аксонов миелином и обслуживание иммунной системы мозга. Вот несколько самых распространенных типов глиальных клеток:
И сколько глиальных клеток находится в коре? Примерно столько же, сколько и нейронов. Поэтому добавьте в наш куб еще 40 000 этих штучек.
Наконец, есть кровеносные сосуды. В каждом кубическом миллиметре коры содержится около метра крошечных кровеносных сосудов. В наших масштабах это означает, что в нашем кубометре есть километр кровеносных сосудов. Вот так они выглядят:
Отступление на тему коннектомы
Есть прекрасный проект, над которым сейчас работают нейробиологи, он называется проект коннектома человека (Human Connectome Project). Ученые пытаются создать полную детализированную карту всего человеческого мозга. Ранее никто и близко не делал такого.
Проект включает нарезку человеческого мозга на тонюсенькие пластинки - около 30 нанометров толщиной. Это 1/33 000 миллиметра.
Помимо создания великолепных изображений «ленточных» образований аксонов со схожими функциями, которые часто образуются внутри белого вещества, вроде этого -
- проект коннектома помогает визуализировать, как все это вещество упаковано в мозге. Вот подробный разбор всего, что происходит в крошечном кусочке мозга мыши (и это еще без кровеносных сосудов):
(На изображении E - полный срез мозга, а F - N - отдельные компоненты, из которых состоит E).
Neuralink Илона Маска. Часть 3-я: насколько вы должны быть счастливы, если все это вас не волнует
Ващеееее.
Вернемся к части 3: пролетая над гнездом нейронов
Как же ученые и инженеры будут справляться с этой ситуацией?
Они стараются выжать максимум из инструментов, которые у них сейчас есть - инструментов, используемых для записи или стимулирования нейронов. Давайте изучим варианты.
Инструменты НКИ
С тем, что уже было проделано, можно выделить три широких критерия, по которым оцениваются плюсы и минусы записывающего инструмента:
1) Масштаб - сколько нейронов может записываться.
2) Разрешение - насколько подробна информация, которую получает инструмент - пространственное (насколько близко ваши записи сообщают, какие из отдельных нейронов активируются) и временное (насколько хорошо можно определить, когда происходит записываемая вами активность).
3) Инвазивность - необходимо ли хирургическое вмешательство, и если да, то насколько дорогое.
Долгосрочная цель - собрать сливки со всех трех и скушать. Но пока неизбежно возникает вопрос, каким из этих критериев (один или два) вы можете пренебречь? Выбор того или иного инструмента - это не повышение или понижение качества, это компромисс.
Давайте посмотрим, какие инструменты используются в настоящее время:
фМРТ
Масштаб: большой (показывает информацию со всего мозга)
Разрешение: от низкого к среднему - пространственное, очень низкое - временное
Инвазивность: неинвазивный
фМРТ чаще используется не в НКИ, а как классический инструмент записи - дает вам информацию о происходящем внутри мозга.
фМРТ использует МРТ - технологию магнитно-резонансной томографии. Изобретенная в 1970-х годах, МРТ стала эволюцией рентгеновского КТ-сканирования. Вместо рентгеновских лучей, МРТ использует магнитные поля (наряду с радиоволнами и другими сигналами) для создания изображений тела и мозга. Вроде такого:
Полный набор поперечных сечений, позволяющий вам видеть голову целиком.
Весьма необычная технология.
фМРТ («функциональная» МРТ) использует технологию МРТ для отслеживания изменений кровотока. Зачем? Потому что, когда области мозга становятся более активными, они потребляют больше энергии, а значит им нужно больше кислорода - поэтому поток крови увеличивается в этой области, чтобы доставить этот кислород. Вот что может показать сканирование фМРТ:
Конечно, в мозгу всегда есть кровь - это изображение показывает, где увеличился кровоток (красный, оранжевый, желтый) и где он уменьшился (синий). И поскольку фМРТ может сканировать весь мозг, результаты будут трехмерными:
У фМРТ много медицинских применений, например, информирование врачей о том, функционируют ли определенные участки мозга после инсульта, и фМРТ очень многому научила нейробиологов о том, какие области головного мозга участвуют в работе этих функций. Сканирование также предоставляет важную информацию о том, что происходит в головном мозге в определенный момент времени, оно безопасно и неинвазивно.
Большим недостатком является разрешение. фМРТ сканирование имеет буквальное разрешение, как компьютерный экран пиксели, только вместо двухмерных, его разрешение представлено трехмерными кубическими объемными пикселями - вокселями (voxel, воксел).
Воксели фМРТ становились меньше по мере улучшения технологии, что привело к увеличению пространственного разрешения. Воксели современных фМРТ могут быть размером с кубический миллиметр. Объем мозга составляет порядка 1 200 000 мм3, поэтому сканирование фМРТ высокого разрешения делит мозг на один миллион маленьких кубиков. Проблема в том, что в нейронных масштабах это по-прежнему довольно много - каждый воксель содержи десятки тысяч нейронов. Так что, в лучшем случае, фМРТ показывает средний кровоток, втягиваемый каждой группой из 40 000 нейронов или около того.
Еще большая проблема - временное разрешение. фМРТ отслеживает кровоток, который является неточным и происходит с задержкой около секунды - вечность в мире нейронов.
ЭЭГ
Масштабы: высокие
Разрешение: очень низкое пространственно, средне-высокое временное
Инвазивность: неинвазивный
Изобретенная почти сто лет назад ЭЭГ (электроэнцефалография) накладывает на голову множество электродов. Вот так:
ЭЭГ - это определенно технология, которая будет выглядеть забавно примитивной для людей 2050 года, но на данный момент это один из немногих инструментов, которые можно использовать с абсолютно неинвазивными НКИ. ЭЭГ регистрирует электрическую активность в различных областях головного мозга, отображая результаты следующим образом:
Графики ЭЭГ могут выявлять информацию о таких медицинских проблемах, как эпилепсия, отслеживать режим сна или определять состояние дозы анестезии.
В отличие от фМРТ, ЭЭГ имеет довольно хорошее временное разрешение, получая электрические сигналы от головного мозга по мере их появления - хоть череп значительно размывает временную точность (кость - плохой проводник).
Главный недостаток - пространственное разрешение. У ЭЭГ его нет. Каждый электрод регистрирует только среднее значение - векторную сумму зарядов от миллионов или миллиардов нейронов (размытое из-за черепа).
Представьте, что мозг - это бейсбольный стадион, его нейроны - это люди в толпе, а информация, которую мы хотим получить, будет вместо электрической активности производной голосовых связок. В таком случае ЭЭГ будет группой микрофонов за пределами стадиона, за его внешними стенами. Вы сможете услышать, когда толпа начнет скандировать и даже сможете предугадать, о чем она примерно кричит. Вы сможете разобрать отличительные сигналы, если будет тесная борьба или кто-то будет побеждать. Возможно, вы также разберете, если случится что-то необычное. На этом всё.
ЭКоГ
Масштабы: высокие
Разрешение: низкое пространственное, высокое временное
Инвазивность: присутствует
ЭКоГ (электрокортикография) похожа на ЭЭГ, поскольку тоже использует электроды на поверхности - только помещает их под череп на поверхность мозга.
Стремно. Но эффективно - намного эффективнее ЭЭГ. Без интерференции, которую дает череп, ЭКоГ охватывает более высокое пространственное (около 1 см) и временное разрешения (5 миллисекунд). Электроды ЭКоГ можно разместить выше или ниже твердой мозговой оболочки:
Слева слои, сверху вниз: скальп, череп, твердая мозговая оболочка, арахноид, мягкая мозговая оболочка, кора, белое вещество. Справа источник сигнала: ЭЭГ, ЭКоГ, интрапаренхимальный (LFP и т. д.)
Возвращаясь к аналогии с нашим стадионом, микрофоны ЭКоГ находятся внутри стадиона и ближе к толпе. Поэтому звук будет много чище, чем у микрофонов ЭЭГ за пределами стадиона, и ЭКоГ смогут различать звуки отдельных сегментов толпы. Но это улучшение стоит денег - требует инвазивной хирургии. Но по мерками инвазивной хирургии, это вмешательство не такое уж и плохое. Как сказал мне один хирург, «поместить начинку под твердую мозговую оболочку можно относительно неинвазивно. Придется проделать дыру в голове, но это не так страшно».
Потенциал локального поля (LFP)
Масштабы: малые
Разрешение: средне-низкое пространственное, высокое временное
Инвазивность: высокая
Давайте перейдем с поверхностных электродных дисков к микроэлектродам - крошечным иголочкам, которые хирурги втыкают в мозг.
Мозговой хирург Бен Рапопорт описал мне, как его отец (нейробиолог) делал микроэлектроды:
«Когда мой отец делал электроды, он делал их вручную. Он брал очень тонкую проволоку - золотую, платиновую или иридиевую, которая была 10-30 микрон в диаметре и вставлял эту проволоку в стеклянную капиллярную трубку диаметром в миллиметр. Затем держал эту стекляшку над огнем и вращал, пока стекло не станет мягким. Он вытягивал капиллярную трубку, пока она не станет очень тонкой, и вытаскивал из огня. Теперь капиллярная трубка оборачивает и сжимает провод. Стекло - изолятор, а проволока - проводник. В итоге получается изолированный в стекле электрод с диаметром кончика в 10 микрон».
Хотя сегодня некоторые электроды все еще изготавливаются вручную, новые технологии используют кремниевые подложки и технологии производства, заимствованные из индустрии интегральных схем.
Способ работы локальных полевых потенциалов прост - вы берете одну такую сверхтонкую иглу с электродным кончиком и вставляете ее на один-два миллиметра в кору. Там она собирает среднее значение электрических зарядов со всех нейронов в определенном радиусе электрода.
LFP обеспечивает вам не такое уж и плохое пространственное разрешение фМРТ в сочетании с мгновенным временным разрешением ЭКоГ. По меркам разрешения это, наверное, лучший вариант из всего вышеперечисленного.
К сожалению, он ужасен по другим критериям.
В отличие от фМРТ, ЭЭГ и ЭКоГ, микроэлектрод LFP не имеет масштаба - он лишь сообщает вам, что делает небольшая сфера, окружающая его. И он намного более инвазивный, поскольку фактически входит в мозг.
На бейсбольном стадионе LFP - это один микрофон, висящий над одной секцией с сиденьями, снимающий четкий звук в этой области и, возможно, на секунду-другую выхватывающий отдельный голос тут и там - но по большей части он ощущает общую вибрацию.
И совсем новая разработка это многоэлектродный массив, который представляет в своей основе идею LFP, только состоит из 100 LFP одновременно. Многоэлектродный массив выглядит вот так:
Крошечный квадрат 4 на 4 мм с 100 кремниевых электродов на нем. Вот еще один, здесь вы можете увидеть, насколько острые электроды - несколько микрон на самом кончике:
Регистрация отдельных единиц
Масштабы: крошечные
Разрешение: сверхвысокое
Инвазивность: очень высокая
Для записи более широкого LFP кончик электрода немного скругляется, чтобы дать электроду большую площадь поверхности, и снижается сопротивление (некорректный технический термин), чтобы улавливались очень слабые сигналы из широкого диапазона мест. В итоге электрод собирает хор активности с локального поля.
Регистрация отдельных единиц также задействует игольчатый электрод, но их кончики делают очень острыми и сопротивление тоже повышают. За счет этого вытесняется большая часть шума и электрод практически ничего не улавливает, пока не окажется очень близко к нейрону (где-то в 50 мкм), и сигнал этого нейрона будет достаточно силен, чтобы преодолеть стенку электрода с высоким сопротивлением. Получая отдельные сигналы от одного нейрона и не имея фонового шума, этот электрод может наблюдать за личной жизнью этого нейрона. Наименьший возможный масштаб, максимально возможное разрешение.
Некоторые электроды хотят вывести отношения на следующий уровень и применяют метод локальной фиксации потенциала (patch clamp), который позволяет убрать кончик электрода и оставить лишь крохотную трубку, стеклянную пипетку, которая будет непосредственно засасывать клеточную мембрану нейрона и проводить более тонкие измерения.
Patch clamp имеет и такое преимущество: в отличие от всех других методов, он физически прикасается к нейрону и может не только записывать, но и стимулировать нейрон, вводя ток или поддерживая напряжение на определенном уровне для выполнения конкретных тестов (другие методы могут стимулировать лишь целые группы нейронов целиком).
Наконец, электроды могут полностью покорить нейрон и фактически проникнуть через мембрану, чтобы осуществить запись. Если кончик достаточно острый, он не разрушит клетку - мембрана как бы запечатается вокруг электрода, и будет очень легко стимулировать нейрон или записать разность напряжений между внешней и внутренней средой нейрона. Но это краткосрочная методика - проколотый нейрон долго не проживет.
На нашем стадионе, регистрация отдельных единиц будет выглядеть как однонаправленный микрофон, закрепленный на воротнике одного толстяка. Локальная фиксация потенциала - это микрофон у кого-нибудь в горле, записывающий точное движение голосовых связок. Это прекрасный способ узнать о переживаниях человека об игре, но они будут вырваны из контекста, и по ним никак нельзя будет судить о происходящим в игре или о самом человеке.
Это все, что у нас есть. По крайней мере что мы используем довольно часто. Эти инструменты одновременно очень продвинутые и покажутся технологиями каменного века людям будущего, которые не поверят, что нам приходилось выбирать одну из технологий, вскрывать черепушку, чтобы получить качественные записи о работе мозга.
Но при всей их ограниченности, эти инструменты научили нас многому о мозге и привели к созданию первых любопытных нейрокомпьютерных интерфейсов. Подробнее о них в следующей части.
Часть 4: нейрокомпьютерные интерфейсы